СТАЛЬ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОДЕРЖАТЕЛЯ
STEEL FOR TOOL HOLDER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к стали для инструментодержателя. В частности, изобретение относится к стали, подходящей для производства больших инструментодержателей для режущих инструментов с поворотной режущей пластиной.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Термин «инструментодержатель» означает тело, на котором установлена активная часть инструмента при операции резания. Типичными телами режущих инструментов являются фрезы, буры и сверла, которые снабжены активными режущими элементами из быстрорежущей стали, цементированного карбида, кубического нитрида бора (CBN) или керамики. Материалом таких тел режущих инструментов обычно является сталь, называемая в данной области держательной сталью.
Операция резания происходит при высоких скоростях резания, что подразумевает, что тело режущего инструмента может стать очень горячим, и поэтому важно, чтобы материал имел хорошую твердость при повышенной температуре и стойкость к размягчению при повышенных температурах. Для того, чтобы выдерживать высокие пульсирующие нагрузки, которым подвергаются определенные типы тел режущих инструментов, таких как фрезы, материал должен иметь хорошие механические свойства, включая хорошие вязкость разрушения и предел усталости. Для улучшения предела усталости в поверхность тела режущего инструмента обычно вводятся сжимающие напряжения. Поэтому материал должен обладать хорошей способностью сохранять упомянутые сжимающие напряжения при высоких температурах, т.е. хорошей стойкостью к релаксации. Тела режущих инструментов вязкоупрочняются, в то время как поверхности, с которыми будут контактировать зажимные элементы, могут быть индукционно упрочнены. Поэтому материал должен поддаваться индукционной закалке. Некоторые типы тел режущих инструментов, такие как некоторые сверла с впаянными твердосплавными наконечниками, покрывают методом PVD или подвергают азотированию после упрочнения для того, чтобы увеличить стойкость к износу стружкой в стружечной канавке и на теле сверла. Поэтому материал должен быть покрываемым методом PVD или поддающимся азотированию на поверхности без какого-либо значительного уменьшения твердости.
Традиционно в качестве материала для тел режущих инструментов использовались низко- и среднелегированные конструкционные стали, такие как 1.2721, 1.2738 и SS2541.

Также известно использование в качестве материала для держателей режущих инструментов инструментальной стали для работы при высоких температурах. В WO 97/49838 и WO 2009/116933 раскрыто использование для держателей режущего инструмента инструментальных сталей для работы при высоких температурах. В настоящее время две популярные инструментальные стали для работы при высоких температурах, используемые для тел режущего инструмента, предлагаются компанией Uddeholms AB и продаются под наименованиями UDDEHOLM BURE и UDDEHOLM BALDER. Номинальные составы упомянутых сталей приведены в Таблице 1 (мас. %).
Таблица 1
Сталь
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
V
UDDEHOLM BURE<sup></sup>
0,39
1,0
0,4
5,3
-
1,3
0,9
UDDEHOLM BALDER<sup></sup>
0,30
0,3
1,2
2,3
4,00
0,8
0,8
Эти типы инструментальных сталей для работы при высоких температурах обладают очень хорошими свойствами для использования по назначению в качестве держателей режущего инструмента. В частности, эти стали обладают сочетанием высокой жаропрочности и хорошей обрабатываемости резанием.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить сталь для инструментодержателей, имеющую улучшенный профиль свойств.
Дополнительная задача состоит в том, чтобы предложить сталь для инструментодержателей, имеющую однородные свойства также и при больших размерах, и оптимизированную для больших инструментодержателей.
У больших инструментодержателей ударная вязкость, химическая и микроструктурная однородность и низкое содержание неметаллических включений являются важными параметрами, а жаропрочность является второстепенной, поскольку большие инструментодержатели имеют значительно более низкую рабочую температуру, чем инструментодержатели меньшего размера. В дополнение, необходимы хорошие сварочные свойства с тем, чтобы эти стали могли свариваться без предварительного нагрева и без последующего нагрева.
Решение вышеуказанных задач, а также дополнительные преимущества достигаются в значительной степени путем обеспечения стали, имеющей состав и микроструктуру, указанные в формуле изобретения. В частности, высокая и равномерная твердость в сочетании с высокой вязкостью приводит к стали с хорошей стойкостью к ударам и минимальным риском неожиданного отказа, обеспечивая более безопасный инструментодержатель с увеличенным сроком службы инструмента.
Изобретение охарактеризовано в формуле изобретения.
Сталь по изобретению состоит из, в массовых % (мас. %):
C
0,07-0,13
Si
0,10-0,45
Mn
1,5-3,1
Cr
2,4-3,6
Ni
0,5-2,0
Mo
0,1-0,7
Al
0,001-0,06
S
≤ 0,003
необязательно
N
0,006-0,06
V
0,01-0,2
Co
≤ 8
W
≤ 1
Nb
≤ 0,05
Ti
≤ 0,05
Zr
≤ 0,05
Ta
≤ 0,05
B
≤ 0,01
Ca
≤ 0,01
Mg
≤ 0,01
РЗМ
≤ 0,2
остальное – Fe помимо примесей, и сталь имеет бейнитную микроструктуру, содержащую вплоть до 20 объемных % остаточного аустенита и вплоть до 20 объемных % мартенсита.
Эта сталь может удовлетворять следующим требованиям:
C
0,08-0,12
Si
0,10-0,4
Mn
2,0-2,9
Cr
2,4-3,6
Ni
0,7-1,2
Mo
0,15-0,55
Al
0,001-0,035
необязательно
N
0,006-0,03
V
0,01-0,08
Cu
≤ 1
Co
≤ 1
W
≤0,1
Nb
≤ 0,03
Ti
≤ 0,03
Zr
≤ 0,03
Ta
≤ 0,03
B
≤ 0,001
Ca
≤ 0,001
Mg
≤ 0,01
РЗМ
≤ 0,1
H
≤ 0,0005
и остаточный аустенит 2-20 об. %.
Эта сталь может также удовлетворять по меньшей мере одному из следующих требований:
C
0,08-0,11
Si
0,15-0,35
Mn
2,2-2,8
Cr
2,5-3,5
Ni
0,85-1,15
Mo
0,20-0,45
необязательно
N
0,01-0,03
V
0,01-0,06
Co
≤ 0,3
Nb
≤ 0,01
Ti
≤ 0,01
Zr
≤ 0,01
Ta
≤ 0,01
РЗМ
≤ 0,05
H
≤ 0,0003
и остаточный аустенит 5-10 об. %.
В одном конкретном предпочтительном варианте осуществления сталь содержит:
C
0,08-0,11
Si
0,1-0,4
Mn
2,2-2,8
Cr
2,5-3,5
Ni
0,7-1,2
Mo
0,15-0,45.
Микроструктура может быть отрегулирована таким образом, чтобы количество остаточного аустенита составляло 4-15 объемных % и/или количество мартенсита составляло 2-16 объемных %. Предпочтительно, количество остаточного аустенита составляет 4-12 объемных % и/или количество мартенсита составляет 4-12 объемных %. Более предпочтительно, количество остаточного аустенита составляет 5-9 объемных % и/или количество мартенсита составляет 5-10 объемных %.
10/3000
10/3000
Твердость может составлять 38-42 HRC и/или 360-400 HBW, и сталь может иметь среднюю твердость в диапазоне 360-400 HBW, причем сталь имеет толщину по меньшей мере 100 мм, и максимальное отклонение от среднего значения твердости по Бринелю в направлении по толщине, измеренное в соответствии со стандартом ASTM E10-01, составляет менее чем 10%, предпочтительно менее чем 5%, и причем минимальное расстояние центра отпечатка индентора от края образца или от края другого отпечатка индентора должно быть в по меньшей мере два с половиной раза больше диаметра отпечатка индентора, а максимальное расстояние должно быть не более чем в 4 раза больше диаметра отпечатка индентора.
Эта сталь может иметь чистоту, удовлетворяющую следующим максимальным требованиям относительно микрошлака в соответствии со стандартом ASTM E45-97, Способ A:
A
A
B
B
C
C
D
D
T
H
T
H
T
H
T
H
1,0
0
1,5
1,0
0
0
1,5
1,0
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Важность отдельных элементов и их взаимодействия друг с другом, а также ограничения химических ингредиентов заявляемого сплава кратко объясняются в следующем описании. Все проценты в химическом составе стали даны в массовых процентах (мас. %) по всему описанию. Количество твердых фаз дано в объемных процентах (об. %). Верхние и нижние пределы содержаний отдельных элементов могут свободно комбинироваться в тех пределах, которые указаны в формуле изобретения.
Углерод
(0,07-0,13%)
Углерод является эффективным для улучшения прочности и твердости стали. Однако, если его содержание слишком высоко, сталь может стать труднообрабатываемой после охлаждения от горячей обработки давлением, и ремонтная сварка станет более трудной. C должен присутствовать в минимальном содержании 0,07%, предпочтительно по меньшей мере 0,08, 0,09 или 0,10%. Верхний предел содержания углерода составляет 0,13% и может быть установлен равным 0,12, 0,11 или 0,10%. Предпочтительный диапазон составляет 0,08-0,12%, а более предпочтительный диапазон – 0,085-0,11%.
Кремний
(0,10-0,45%)
Кремний используется для раскисления. Si присутствует в стали в растворенной форме. Si является сильным ферритообразователем и увеличивает активность углерода, а значит, и риск образования нежелательных карбидов, которые отрицательно влияют на ударную вязкость. Кремний является также склонным к межфазной ликвации, что может привести к уменьшенным вязкости и стойкости к термической усталости. Поэтому содержание Si ограничено до 0,45%. Верхний предел может составлять 0,40, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,30, 0,29 или 0,28%. Нижний предел может составлять 0,12, 0,14, 0,16, 0,18 или 0,20%. Предпочтительными диапазонами являются 0,15-0,40% и 0,20-0,35%.
Марганец
(1,5-3,1%)
Марганец способствует улучшению прокаливаемости стали. Если его содержание слишком низко, то прокаливаемость может стать слишком низкой. При более высоких содержаниях серы марганец предотвращает красноломкость стали. Поэтому марганец должен присутствовать в минимальном количестве 1,5%, предпочтительно по меньшей мере 1,6, 1,7, 1,8, 1,8, 1,9 2,0, 2,1, 2,2, 2,3 или 2,4%. Сталь должна содержать его максимум 3,1%, предпочтительно 3,0, 2,9, 2,8 или 2,7%. Предпочтительный диапазон составляет 2,3-2,7%.
Хром
(2,4-3,6%)
Хром должен присутствовать в количестве по меньшей мере 2,4% для того, чтобы обеспечить хорошую прокаливаемость в больших поперечных сечениях во время термической обработки. Если содержание хрома будет слишком высоким, это может привести к образованию высокотемпературного феррита, который уменьшает горячую обрабатываемость давлением. Нижний предел может составлять 2,5, 2,6, 2,7, 2,8 или 2,9%. Верхний предел составляет 3,6% и может составлять 3,5, 3,4, 3,3, 3,2 или 3,1%. Предпочтительный диапазон составляет 2,7-3,3%.
Никель
(0,5-2,0%)
Никель придает стали хорошую прокаливаемость и вязкость. Никель также выгоден для обрабатываемости резанием и полируемости стали. Если содержание никеля превышает 2,0%, прокаливаемость может стать избыточно высокой. Поэтому верхний предел может составлять 1,9, 1,8, 1,7, 1,6, 1,5, 1,4, 1,3, 1,2 или 1,1%. Нижний предел может составлять 0,6, 0,7, 0,8 или 0,9%. Предпочтительный диапазон составляет 0,85-1,15%.
Молибден
(0,1-0,7%)
Mo, как известно, оказывает очень благоприятное влияние на прокаливаемость. Молибден является существенным для достижения хорошего отклика на вторичное упрочнение. Минимальное содержание составляет 0,1%, и может составлять 0,15, 0,2, 0,25 или 0,3%. Молибден является сильным карбидообразующим элементом, а также сильным ферритообразователем. Максимальное содержание молибдена поэтому составляет 0,7%. Предпочтительно, содержание Mo ограничено до 0,65, 0,6, 0,55, 0,50, 0,45 или 0,4%. Предпочтительный диапазон составляет 0,2-0,3%.
Алюминий
(0,001-0,06%)
Алюминий может использоваться для раскисления в сочетании с Si и Mn. Нижний предел может быть установлен на 0,001, 0,003, 0,005 или 0,007%, чтобы гарантировать хорошее раскисление. Верхний предел ограничен величиной 0,06%, чтобы избежать выделения нежелательных фаз, таких как AlN. Верхний предел может составлять 0,05, 0,04, 0,035, 0,03, 0,02 или 0,015%.
Ванадий
(0,01-0,2%)
Ванадий образует равномерно распределенные первично выделившиеся карбиды и карбонитриды типа V(N,C) в матрице стали. Эта твердая фаза также может быть обозначена MX, где M главным образом представляет собой V, но могут присутствовать также Cr и Mo, а X представляет собой один или более из C, N и В. Поэтому ванадий может необязательно присутствовать для улучшения стойкости к отпуску. Однако при высоких содержаниях обрабатываемость резанием и вязкость ухудшаются. Следовательно, верхний предел может составлять 0,15, 0,1, 0,08, 0,06 или 0,05%.
Азот
(0,006-0,06%)
Азот необязательно может быть отрегулирован до диапазона 0,006-0,06% для того, чтобы получить желаемые тип и количество твердой фазы, в частности V(C,N). Когда содержание азота должным образом сбалансировано с содержанием ванадия, будут образовываться богатые ванадием карбонитриды V(C,N). Они будут частично растворяться во время стадии аустенизации, а затем выделяться во время стадии отпуска в виде частиц нанометрового размера. Термостойкость карбонитридов ванадия считается более высокой, чем у карбидов ванадия, а значит, стойкость к отпуску инструментальной стали может быть улучшена, и повышается стойкость к росту зерна при высоких температурах аустенизации. Нижний предел может составлять 0,011, 0,012, 0,013, 0,014, 0,015, 0,016, 0,017, 0,018, 0,019 или 0,02%. Верхний предел может составлять 0,06, 0,05, 0,04 или 0,03%.
Кобальт
(≤ 8%)
s
Co является необязательным элементом. Co вызывает повышение температуры солидуса и поэтому обеспечивает возможность повышения температуры закалки, которая может быть на 15-30°C выше, чем без Co. Поэтому во время аустенизации возможно растворить большую долю карбидов и тем самым улучшить прокаливаемость. Кобальт также увеличивает температуру M. Однако большое количество Co может привести к уменьшенным вязкости и износостойкости. Максимальное количество составляет 8%, и если он добавляется, эффективное количество может составлять 2-6%, в частности 4-5%. Однако, по практическим причинам, таким как переработка лома, намеренного добавления Co не производится. Тогда максимальное содержание примеси может быть установлено равным 1%, 0,5%, 0,3%, 0,2% или 0,1%.
Вольфрам
(≤ 1%)
В принципе, молибден может быть заменен вдвое большим количеством вольфрама из-за их химической схожести. Однако вольфрам является дорогим, а также он усложняет переработку металлолома. Поэтому его максимальное количество ограничено величиной 1%, 0,7, 0,5, 0,3 или 0,15%. Предпочтительно, намеренного добавления не производится.
Ниобий
(≤ 0,05%)
Ниобий подобен ванадию тем, что он образует карбонитриды типа M(N,C) и может, в принципе, использоваться взамен части ванадия, но тогда требуется в два раза большее количество ниобия по сравнению с ванадием. Однако Nb приводит к более угловатой форме M(N,C). Поэтому его максимальное количество составляет 0,05%, 0,03 или 0,01%. Предпочтительно, он намеренно не добавляется.
Ti, Zr и Ta
Эти элементы являются карбидообразователями и могут присутствовать в сплаве в заявленных диапазонах для изменения состава твердых фаз. Однако обычно ни один из этих элементов не добавляется.
Бор
(≤ 0,01%)
B может необязательно использоваться для того, чтобы дополнительно увеличить твердость стали. Его количество ограничено до 0,01%, предпочтительно ≤ 0,005%. Предпочтительный диапазон необязательной добавки B составляет 0,001-0,004%.
Ca, Mg
РЗМ
и (редкоземельные металлы)
Эти элементы могут быть добавлены в сталь в заявленных количествах для того, чтобы модифицировать неметаллические включения и/или чтобы дополнительно улучшить обрабатываемость резанием, горячую обрабатываемость давлением и/или свариваемость.
Примесные элементы
P, S и O являются главными неметаллическими примесями, которые оказывают отрицательное влияние на механические свойства стали. Содержание P может быть ограничено до 0,05, 0,04, 0,03, 0,02 или 0,01%. Содержание S ограничено до 0,003%, и может быть ограничено до 0,0025, 0,0020, 0,0015, 0,0010, 0,0008 или 0,0005%. Содержание O может быть ограничено до 0,0015, 0,0012, 0,0010, 0,0008, 0,0006 или 0,0005%.
Cu невозможно извлечь из стали. Это в значительной степени затрудняет переработку металлолома. По этой причине медь не используется. Примесное количество Cu может быть ограничено до 0,35, 0,30, 0,25, 0,20, 0,15 или 0,10%.
Водород
(≤ 0,0005%)
-1
-1
Водород, как известно, оказывает вредное влияние на свойства стали и вызывает проблемы во время обработки. Для того, чтобы избежать связанных с водородом проблем, расплавленную сталь подвергают вакуумной дегазации. Верхний предел составляет 0,0005% (5 млн) и может быть ограничен до 4, 3, 2,5, 2, 1,5 или 1 млн.
Производство стали
Инструментальная сталь с заявленным химическим составом может быть получена методами традиционной металлургии, включая плавку в дуговой электропечи (ДЭП) с последующими ковшевым рафинированием, вакуумной обработкой и разливкой на слитки. Стальные слитки затем подвергают электрошлаковому переплаву (ЭШП), предпочтительно в защитной атмосфере, для дополнительного улучшения чистоты и микроструктурной однородности.
A
A
800/500
800/500
10/3000
10/3000
Сталь подвергают упрочнению перед использованием. Аустенизация может быть выполнена при температуре аустенизации (T) в диапазоне 850-950°C, предпочтительно 880-920°C. Типичная T составляет 900°C при времени выдержки 30 минут с последующим медленным охлаждением. Скорость охлаждения определяется тем временем, в течение которого сталь подвергается воздействию диапазона температур от 800°C до 500°C (t). Время охлаждения в этом интервале, t, обычно должно находиться в интервале 4000-20000 с для того, чтобы получить желаемую бейнитную микроструктуру с незначительными количествами остаточного аустенита и мартенсита. Это обычно приводит к твердости в диапазоне 38-42 HRC и/или к твердости по Бринелю 360-400 HBW. Твердость по Бринелю HBW измеряется с использованием шарика из карбида вольфрама диаметром 10 мм и нагрузки 3000 кгс (29400 Н).
Когда сталь имеет толщину по меньшей мере 100 мм, то максимальное отклонение от среднего значения твердости по Бринелю в направлении по толщине, измеренное в соответствии со стандартом ASTM E10-01, составляет менее чем 10%, предпочтительно менее чем 5%, причем расстояние центра отпечатка индентора от края образца или от края другого отпечатка индентора должно быть в по меньшей мере два с половиной раза больше диаметра отпечатка индентора, а максимальное значение этого расстояния должно не более чем в 4 раза превышать диаметр отпечатка индентора.
3
3
Стали по настоящему изобретению имеют однородную твердость, потому что их состав был оптимизирован для того, чтобы уменьшить мезо-ликвации, которые могут образовываться во всех типах слитков с толщиной по меньшей мере 100 мм. Мезо-ликвациями обычно называются ликвации A-типа, ликвации V-типа и ликвации канального типа, и они могут появляться во всех слитках с толщиной по меньшей мере 100 мм. Ликвационные области имеют удлиненную форму и непостоянную толщину порядка 10 мм. Величина мезо-ликвации увеличивается с увеличением размера слитка, а также с увеличением количества тяжелых легирующих элементов, таких как Mo (10,2 г/см) и W (19,3 г/см). Размер этих ликваций делает гомогенизацию затруднительной и приводит к полосчатой структуре в кованом и/или горячекатаном продукте. Размер полосок в микроструктуре зависит от степени обжатия. Высокая степень обжатия приводит к меньшей ширине полосок.
ПРИМЕР
В этом примере путем ДЭП-плавки, рафинирования в ковше и вакуумной дегазации (ВД) с последующим ЭШП-переплавом в защитной атмосфере получили сталь со следующим составом (в мас. %):
C
0,10
Si
0,27
Mn
2,42
Cr
3,00
Ni
0,99
Mo
0,29
V
0,03
Al
0,017
P
0,014
S
0,001
остальное – железо и примеси.
Сталь разлили в слитки и подвергли горячей обработке давлением для того, чтобы получить блоки, имеющие размер поперечного сечения 1013×346 мм.
800/500
10/3000
Сталь аустенизировали при 900°C в течение 30 минут и упрочняли медленным охлаждением. Время охлаждения (t) составило примерно 8360 секунд. Это привело к средней твердости 365 HBW. Максимальное отклонение от среднего значения твердости по Бринелю в направлении по толщине оказалось менее чем 4% при измерении в соответствии со стандартом ASTM E10-01, при этом минимальное расстояние центра отпечатка индентора от края образца или от края другого отпечатка индентора было в 3 раза больше диаметра отпечатка индентора. Среднюю энергию удара в направлении LT измеряли с использованием стандартного испытания по Шарпи образца с V-образным надрезом в соответствии со стандартом SS-EN ISO148-1/ASTM E23. Среднее значение у 6 образцов составило 32 Дж. Количество остаточного аустенита оценено в примерно 7 об. %.
Изучили чистоту стали относительно микрошлака в соответствии со стандартом ASTM E45-97, Способ A. Результат показан в Таблице 1.
A
A
B
B
C
C
D
D
T
H
T
H
T
H
T
H
0
0
1,0
0,5
0
0
1,0
0,5
Таблица 1. Результат измерения чистоты.
Этот пример демонстрирует, что большой стальной блок, имеющий высокую и однородную твердость, высокую вязкость и высокую чистоту, может быть произведен путем переплава в ЭШП-установке в защитной атмосфере.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Сталь по настоящему изобретению является особенно полезной в больших инструментодержателях, требующих высокой ударной вязкости и однородной твердости.