ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКИ
TOOL STEEL FOR HOT PROCESSING

Область техники
Изобретение относится к инструментальной стали для горячей обработки.
Уровень техники
Инструментальные стали с легированной ванадием матрицей предлагаются на рынке уже десятки лет и представляют большой интерес благодаря тому, что они сочетают высокую износостойкость с отличной стабильностью размеров и потому что они имеют хорошую ударную вязкость. Эти стали имеют широкий спектр применений, как, например, литье в формы и ковка. Стали обычно производят традиционными металлургическими способами с последующим электрошлаковым переплавом (ЭШП).
Хотя инструментальные стали с легированной ванадием матрицей, полученные способом ЭШП, имеют лучшие, с точки зрения термического растрескивания, макрорастрескивания, горячего износа и пластической деформации, свойства, чем инструментальные стали, получаемые обычными способами, существует потребность в дальнейшем улучшении, чтобы снизить риск повреждения инструментов для горячей обработки, как, например, термическое растрескивание и макрорастрескивание при литье в формы под высоким давлением. Кроме того, было бы выгодным дополнительной улучшить жаропрочность и стойкость к отпуску инструментальной стали для горячей обработки.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является разработать инструментальную сталь для горячей обработки, имеющую улучшенный профиль свойств, ведущий к повышенному сроку службы инструмента.
Другой целью настоящего изобретения является снижение термического растрескивания при сохранении хорошей стойкости к износу при высокой температуре и высокого сопротивления макрорастрескиванию. Еще одной целью является разработать состав стали, которая в порошковой форме подходит для технологии послойного изготовления (Additive Manufacturing, AM), в частности, для изготовления или ремонта инструментов и форм для литья под давлением.
Вышеназванные цели, а также дополнительные преимущества достигаются в значительной мере в результате разработки инструментальной стали для горячей обработки, имеющей состав, указанный в пунктах формулы изобретения, относящихся к сплаву.
Изобретение определено в формуле.
Подробное описание
Далее кратко поясняются важность отдельных элементов и их взаимодействие друг с другом, а также ограничения на химические ингредиенты заявленного сплава. Во всем описании все процентные содержания в химическом составе стали указываются в весовых процентах (вес.%). Количество твердых фаз приводится в объемных процентах (об.%). Верхний и нижний границы содержания отдельных элементов можно свободно комбинировать в пределах, представленных в формуле изобретения.
Углерод
(0,27-0,38%)
23
6,
7
3
6
Углерод должен присутствовать в минимальном содержании 0,27%, предпочтительно по меньшей мере 0,28%, 0,29%, 0,30%, 0,31%, 0,32%, 0,33% или 0,34%. Верхний предел для углерода равен 0,38% и может быть установлен на уровне 0,37%, 0,36% или 0,35%. Предпочтительными диапазонами являются 0,30-0,38% и 0,33-0,37%. В любом случае количество углерода следует контролировать так, чтобы ограничить количество первичных карбидов типа MC MC и MC в стали, предпочтительно, чтобы сталь не содержала таких первичных карбидов.
Кремний
(0,10-0,35%)
Кремний используется для раскисления. Si присутствует в стали в растворенной форме. Si является сильным ферритообразующим элементом и повышает активность углерода, поэтому возникает риск образования нежелательных карбидов, которые отрицательно влияют на ударную вязкость. Кремний также предрасположен к межфазной сегрегации, что может привести к сниженным ударной вязкости и сопротивлению термической усталости. Поэтому содержание Si ограничено значением 0,35%. Верхний предел может составлять 0,34%, 0,32%, 0,31%, 0,30%, 0,29%, 0,28%, 0,27%, 0,26%, 0,25%, 0,24%, 0,23% и 0,22%. Нижний предел может составлять 0,12%, 0,14%, 0,16%, 0,18% и 0,20%. Предпочтительны диапазоны 0,10-0,25% и 0,15-0,24%.
Марганец
(0,2-0,7%)
Марганец способствует улучшению закаливаемости стали и вместе с серой марганец способствует улучшению обрабатываемости на станках благодаря образованию сульфидов марганца. Поэтому минимальное содержание марганца должно быть на уровне 0,2%. Нижний предел можно установить на уровне 0,25%, 0,3%, 0,35%, 0,4%, 0,45% или 0,5%. При более высоком содержании серы марганец препятствует красноломкости стали. Сталь должна содержать максимум 0,7% Mn. Верхний предел можно установить на уровне 0,65%, 0,6%, 0,55% или 0,5%.
Хром
(4,5-5,5%)
Хром должен присутствовать в содержании по меньшей мере 4,0%, чтобы обеспечить хорошую закаливаемость при больших сечениях по время термообработки. Если содержание хрома будет слишком высоким, это может привести к образованию высокотемпературного феррита, что снижает способность к обработке в горячем состоянии. Нижний предел можно установить на уровне 4,6%, 4,7%, 4,8% или 4,9%. Верхний предел может составлять 5,4%, 5,3%, 5,2% или 5,1%.
Молибден
(2,05-2,90%)
Как известно, Mo оказывает очень благоприятный эффект на закаливаемость. Молибден важен для достижения хороших характеристик вторичного упрочнения. Минимальное содержание составляет 2,05% и может быть установлено на уровне 2,1%, 2,15%, 2,2%, 2,25% или 2,3%. Молибден является сильным карбидообразующим элементом, а также сильным ферритообразующим элементом. Поэтому максимальное содержание молибдена составляет 2,9%. Предпочтительно, содержание Mo ограничено значениями 2,8%, 2,7%, 2,6%, 2,5%, 2,4% или 2,35%.
Ванадий
(0,4-0,6%)
Ванадий образует гомогенно распределенные первичные выделившиеся карбиды и карбонитриды типа V(N,C) в матрице стали. Эту твердую фазу можно также обозначить MX, где M преимущественно представляет собой V, но могут присутствовать также Cr и Mo, и X означает одно или более из C, N и B. Таким образом, ванадий должен присутствовать в количестве 0,4-0,6%. Верхний предел можно установить на уровне 0,59%, 0,58%, 0,57%, 0,56% или 0,55%. Нижний предел может составлять 0,42%, 0,43%, 0,44%, 0,45%, 0,46%, 0,47%, 0,48%, 0,49%, 0,50%, 0,51% или 0,52%.
Отношение V/C
(1,35-1,65)
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что предел прочности на разрыв при комнатной температуре и при повышенной температуре зависит от отношения карбидообразующего элемента ванадий к содержанию углерода в стали. Полагают, что это связано с тем, что эти свойства зависят как от содержания углерода, растворенного в матрице, так и от содержания выделившегося углерода. Это отношение влияет также на ударную вязкость. По этим причинам предпочтительно, чтобы отношение составляло 1,35-1,65, предпочтительно 1,40-1,60, более предпочтительно 1,45-1,55.
Соотношение V+8,8(N-0,005)/C
(1,55-1,90)
Если желательно более выраженное вторичное твердение, можно повысить локальное количество ванадия, чтобы компенсировать часть или весь ванадий, связанный в более стабильный нитрид. По этим причинам предпочтительно, чтобы это соотношение составляло 1,55-1,90. Его можно установить на уровне 1,60-1,85, более предпочтительно 1,65-1,80.
Алюминий
(0,001-0,06%)
Алюминий используется для раскисления в комбинации с Si и Mn. Нижний предел устанавливают на уровне 0,001%, 0,003%, 0,005% или 0,007%, чтобы обеспечить хорошее раскисление. Верхний предел ограничен значением 0,06%, чтобы избежать выделения нежелательных фаз, таких как AlN. Верхний предел может составлять 0,05%, 0,04%, 0,03%, 0,02% или 0,015%.
Азот (
0,01-0,12%)
Содержание азота ограничено значением 0,010-0,12%, чтобы получить желаемые тип и количество твердых фаз, в частности V(C,N). Когда содержание азота правильно сбалансировано по отношению к содержанию ванадия, будут образовываться карбонитриды V(C,N), богатые ванадием. Они будут частично растворяться на стадии аустенизации и затем выделяться на стадии отпуска в виде частиц нанометрового размера. Считается, что термическая стабильность карбонитридов ванадия выше, чем у карбидов ванадия, поэтому можно улучшить стойкость к отпуску инструментальной стали и повысить сопротивление росту зерен 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 0,11%, 0,10%, 0,09%, 0,08%, 0,07%, 0,06%, 0,05%, 0,04% или 0,03%.
Водород
(≤0,0004%)
Известно, что водород оказывает негативный эффект на свойства стали и может вызывать проблемы при обработке. Чтобы избежать проблем, связанных с водородом, расплавленную сталь подвергают вакуумной дегазации. Верхний предел составляет 0,0004% (4 ppm) и может быть ограничен значениями 3, 2,5, 2, 1,5 или 1 ppm.
Никель
(≤1,5%)
Никель может присутствовать в количестве ≤1,5%. Он придает стали хорошие закаливаемость и ударную вязкость. Однако из-за высокой стоимости содержание никеля в стали следует ограничивать. Таким образом, верхний предел можно установить на уровне 1,0, 0,8, 0,5 или 0,3%. Однако, обычно Ni сознательно не добавляют.
Медь
(≤2,0%)
Cu является факультативным элементом, который может способствовать повышению твердости и коррозионной стойкости стали. Ее предпочтительно используют в диапазоне 0,02-1%. Однако, после того, как медь добавили, ее невозможно больше извлечь из стали. Это делает разделку лома чрезмерно более сложной. По этой причине медь обычно сознательно не добавляют.
Кобальт
(≤8%)
s
Co является факультативным элементом. Co вызывает повышение температуры солидуса и, следовательно, дает возможность повысить температуру закалки, которая может быть на 15-30°C выше, чем без Co. Поэтому во время аустенизации можно растворить более значительную часть карбидов и, таким образом, улучшить закаливаемость. Co влияет также на температуру M. Однако, большое количество Co может привести к снижению ударной вязкости и износостойкости. Максимальное количество составляет 8% и, если Co добавляется, его эффективное количество может составлять 2-6%, в частности, 4-5%. Однако, из практических соображений, таких, как разделка лома, Co намеренно не добавляют. Таким образом, максимальное содержание примеси можно установить на уровне 1%, 0,5%, 0,3%, 0,2% или 01%.
Вольфрам
(≤0,5%)
В принципе, молибден можно заменить удвоенным количеством вольфрама благодаря их химическому сходству. Однако, вольфрам является дорогостоящим и также усложняет разделку металлического лома. Поэтому его максимальное количество ограничено значением 0,5%, предпочтительно 0,3%, более предпочтительно водород намеренно не добавляют.
Ниобий (
)
≤0,5%
Ниобийпохож на ванадий тем, что он образует карбонитриды типа M(N,C) и в принципе может использоваться вместо части ванадия, но это требует удвоенного количества ниобия по сравнению с ванадием. Однако, Nb приводит к более угловатой форме M(N,C). Поэтому его максимальное количество составляет 0,5%, предпочтительно 0,05% и наиболее предпочтительно намеренного добавления не производят.
Ti, Zr и Ta
Эти элементы образуют карбиды и могут присутствовать в сплаве в заявленных диапазонах для изменения состава твердых фаз. Однако обычно ни один из этих элементов не добавляют.
Бор
(≤0,01%)
B можно использовать в целях дальнейшего повышения твердости стали. Его количество ограничено значением 0,01%, предпочтительно оно ≤0,005%. Предпочтительный диапазон для добавления B составляет 0,001-0,004%.
Ca, Mg
REM
и (Rare Earth Metals, редкоземельные металлы)
Эти элементы можно добавлять в сталь в заявленных количествах для модификации неметаллических включений и/или для дальнейшего улучшения обрабатываемости на станках, обрабатываемости при высоких температурах и/или свариваемости.
Примесные элементы
P, S и O являются основными примесями, которые могут оказывать негативный эффект на механические свойства стали. Поэтому присутствие P можно ограничить значением 0,03%, предпочтительно 0,01%. Содержание S ограничено значением 0,0015% и может быть ограничено до 0,0012%, 0,0010%, 0,0008% или 0,0005%. Содержание O может быть ограничено значениями 0,0015%, 0,0012%, 0,0010%, 0,0008%, 0,0006% или 0,0005%.
Производство стали
Инструментальную сталь, имеющую заявленный химический состав, можно получать обычными металлургическими способами, включая плавку в электродуговой печи (Electric Arc Furnace, EAF) и затем рафинирование в ковше и вакуумную обработку. Факультативно, сталь можно подвергнуть электрошлаковому переплаву (ЭШП), чтобы еще больше улучшить чистоту и микроструктурную однородность.
A
A
Обычно сталь подвергают закалке и отпуску перед применением. Аустенизацию можно провести при температуре аустенизации (T) в интервале 1000-1070°C, предпочтительно 1030-1050°C. Типично T составляет 1040°C при времени выдержки 30 минут и последующем быстром охлаждении. Температуру отпуска выбирают в соответствием с требованиями жесткости, отпуск проводят по меньшей мере дважды при 600-650°C в течение 2 часов (2×2ч) с последующим охлаждением на воздухе.
Пример 1
В этом примере сталь, имеющую следующий состав (в вес.%), получали плавкой в электродуговой печи, рафинированием в ковше и вакуумной дегазацией (VD):
C
0,35
Si
0,18
Mn
0,47
Cr
5,05
Mo
2,34
V
0,54
Al
0,009
P
0,005
S
0,0003
H
0,00005
N
0,0051
O
0,0006
V/C
1,54
остальное железо и примеси.
После вакуумной дегазации сталь подвергали легированию азотом посредством введения электродной проволоки. Окончательное содержание азота после указанной тонкой регулировки составило 0,0142 вес.%.
Сталь отливали в слитки и подвергали горячей обработке.
Сталь аустенизировали при 1040°C в течение 30 минут, закаливали в потоке газа и дважды отпускали при 600°C в течение 2 часов (2×2ч) с последующим охлаждением на воздухе.
Влияние легирования азотом на состав матрицы и количество первичных MX при трех разных температурах аустенизации рассчитывали с использованием программы Thermo-Calc. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1
<b>Состав матрицы (аустенит)</b>
<b>0,0051%N</b>
<b>C</b>
<b>Si</b>
<b>Mn</b>
<b>Cr</b>
<b>Mo</b>
<b>V</b>
<b>об.% MX</b>
1030°C
0,335
0,18
0,47
5,05
2,32
0,46
0,19
1040°C
0,338
0,18
0,47
5,05
2,32
0,47
0,16
1050°C
0,340
0,18
0,47
5,05
2,32
0,48
0,13
<b>0,0142%N</b>
<b>C</b>
<b>Si</b>
<b>Mn</b>
<b>Cr</b>
<b>Mo</b>
<b>V</b>
<b>об.% MX</b>
1030°C
0,325
0,18
0,47
5,05
2,32
0,38
0,37
1040°C
0,328
0,18
0,47
5,05
2,32
0,40
0,34
1050°C
0,331
0,18
0,47
5,05
2,32
0,41
0,30
Из таблицы 1 следует, что количество нерастворенной твердой фазы (MX) в легированной азотом стали значительно выше, чем количество в нелегированной стали при всех трех температурах. Фаза MX ответственна за пиннинг межзеренных границ и, таким образом, препятствует росту зерен. Соответственно, предлагаемая изобретением легированная азотом сталь менее склонна к росту зерен при температурах закалки. Это было также подтверждено экспериментами, которые показали, что сталь с низким содержанием азота имеет значительно повышенные размеры зерна при 1060°C, тогда как сталь, легированная азотом, является стойкой к росту зерен до температур, превышающих 1080°C. Соответственно, для легированной азотом стали можно использовать более высокую температуру закалки без вредного роста зерен. Таким образом, можно влиять на баланс свойств материала для литейной формы, чтобы снизить склонность к термическому растрескиванию и/или макрорастрескиванию и, тем самым, повысить срок службы литейной формы.
Пример 2
Сплав плавили в индукционной печи и подвергали распылению в потоке газообразного азота (5н).
C
0,34
Si
0,16
Mn
0,44
Cr
5,01
Mo
2,33
V
0,53
Al
0,008
N
0,044
O
0,0024
V/C
1,59
остальное железо и примеси.
Порошок просеивали до <500 мкм, засыпали в стальные капсулы диаметром 63 мм и высотой 150 мм. Горячее изостатическое прессование проводили при температуре 1150°C, время выдержки составляло 2 часов, давление 110 МПа. Скорость охлаждения была меньше 1 °C/сек. Полученный в результате материал штамповали при 1130°C на размеры 20×30 мм. Проводили мягкий отжиг при 900°C со скоростью охлаждения 10 °C/ч до 750°C, после чего подвергали естественному охлаждению на воздухе. Количество нерастворенного MX было выше, чем в предыдущем примере, а содержание азота выше. Как было обнаружено, из-за этого и благодаря тонкому распределению карбонитридов ванадия (MX), богатых азотом, сталь была очень стойкой к росту зерен.
Пример 3
Порошок, имеющий тот же состав, что и в примере 2, просеивали, чтобы получить порошок с узким гранулометрическим составом в диапазоне 10-60 мкм. Было найдено, что порошок можно с успехом применять для восстановления литейных форм путем лазерной наплавки, а также для быстрого прототипирования, например, форм с конформными охлаждающими каналами. Соответственно, очевидно, что легированные порошковые стали подходят для послойного синтеза.
Промышленная применимость
Инструментальная сталь по настоящему изобретению подходит для применения в больших литейных формах, требующих хорошей закаливаемости и хорошей стойкости к термическому растрескиванию и макрорастрескиванию. Распыленный порошок сплава можно использовать для получения продуктов горячего изостатического прессования, имеющих отличную однородность структуры. Порошок сплава можно применять для получения или ремонта литейных форм, в частности, способом послойного синтеза.