ТЕПЛОСТОЙКАЯ СТАЛЬ
HEAT-RESISTANT STEEL

Данное изобретение относится к теплостойкой стали, то есть стали, предназначенной для применения при обработке в условиях высокой температуры рабочего материала. Типичными примерами применения такой стали является инструмент для экструзионного прессования легких металлов, в первую очередь алюминия. Другой формой использования является применение в кузнечном инструменте. Данное изобретение относится также к применению стали при изготовлении инструмента для горячей обработки и к инструменту, изготовленному из этой стали.
К высококачественному инструменту для горячей обработки предъявляют много требований, таких как хорошая износостойкость в горячих условиях и благоприятное сочетание других свойств, например стойкости при отпуске, вязкости, прокаливаемости и прочности. Для оптимальных рабочих характеристик инструмента важно, чтобы эти свойства были обеспечены. К инструменту для экструзионного прессования металлов, например алюминия, предъявляют требования по рабочим условиям с позиции температуры, давления и абразивного износа. Экструзионное прессование подразумевает, что материал в пластифицированном состоянии подают под давлением через ограничитель/фильеру, где формируют экструдированный профиль/форму материала, подвергаемого экструзионному прессованию. Следовательно, фильера для экструзионного прессования должна обладать высокой прочностью в сочетании с хорошей износостойкостью в горячих условиях, а также хорошей стойкостью к отпуску при высоких температурах, поскольку материал, например алюминий, обычно экструдируют при температурах примерно 500-600°С. Хорошо известную и длительно используемую теплостойкую сталь обозначают согласно AISI (Американский институт черной металлургии) Н13 (или, альтернативно, Н11); она имеет следующий номинальный состав в % мас.: 0,30-0,40 С; 0,20-0,40 Мn; 0,80-1,20 Si; 4,75-5,50 Cr; 1,25-1,75 Mo; 0,80-1,20 V, остальное - железо и неизбежные примеси; а для Н11, в % мас.: 0,30-0,50 V, остальное - так же, как для Н13. В течение многих лет были исследованы различные направления разработок с целью улучшения некоторых свойств традиционной стали Н13. Примерами являются ЕР 632139, US 4886640 и US 4853181.
Общим недостатком всех вышеперечисленных сталей является то, что они имеют относительно высокое содержание дорогих легирующих элементов. Понятно, что это является существенным недостатком и что в течение длительного времени существовала потребность свести это содержание к минимуму.
На основе многолетних экспериментов мы теперь преуспели в сведении к минимуму вышеупомянутых проблем, получив сталь, имеющую следующий химический состав в % мас.:
0,38-0,46% С
0,5-1,0% Si
1%<Мn≤1,8%
0,7-3,0% Cr
0,5-0,7% Mo
0,45-0,7% V
не более 0,05% или 0,3-1,0% Аl
остальное - железо и неизбежные примеси.
Благодаря данному изобретению теперь можно обеспечить теплостойкую сталь, которая, для большинства применений, имеет свойства, сопоставимые с традиционной сталью Н13, но при этом имеет стоимость легирующих элементов почти в два раза ниже (при существующих в данный момент ценах на металлы). Основываясь на том факте, что различные стали типа Н13 существовали на рынке в течение длительного времени, следует осознавать, что надо считать неожиданным, что мы смогли найти сплав, который является таким эффективным в решении вышеупомянутых проблем, особенно учитывая, что такие важные свойства, как стойкость к истиранию алюминием в горячих условиях и теплопроводность улучшены по сравнению с традиционным сплавом Н13. Правда, прокаливаемость несколько ухудшена, но, поскольку большинство экструзионных инструментов, имеющихся на рынке, используют для достаточно малых размеров, оценено, что этот новый сплав можно использовать примерно для 70-80% существующих производств, что приводит к значительно сниженной стоимости, при сохранении функциональности в отношении остальных свойств.
Если не указано иначе, в данном описании химический состав стали всегда выражают в массовых процентах, а структурные компоненты стали - в объемных процентах.
Последующее справедливо для индивидуальных легирующих материалов и их взаимных соотношений, а также для структуры и термообработки стали.
Углерод должен присутствовать в соответствующем количестве для того, чтобы придать стали желаемую твердость после термообработки и внести вклад в прокаливаемость. Соответственно, его должно быть по меньшей мере 0,3%, а для наилучшего результата необходимо примерно 0,4% углерода. Слишком большое количество углерода оказывает отрицательное влияние на вязкость и, следовательно, верхний предел должен составлять примерно 0,46%, более предпочтительно примерно 0,45%. Подходящее содержание углерода может составлять 0,38-0,46%, предпочтительно 0,40-0,44%.
Кремний присутствует в виде остаточного элемента после получения стали, в содержании обычно по меньшей мере 0,2%, наиболее часто примерно 1%. Кремний увеличивает активность углерода в стали и, следовательно, вносит вклад в придание стали соответствующей твердости. Он также вносит вклад в соответствующую стойкость к окислению и отпуску. Слишком высокое содержание может привести к проблемам хрупкости из-за затвердевания раствора и, следовательно, максимальное содержание кремния в стали составляет 1,5%. Кремний может присутствовать в стали в количестве 0,3-1,35%, предпочтительно 0,5-1,2%.
Марганец, хром и молибден должны присутствовать в стали в достаточно большом количестве, чтобы обеспечить соответствующую прокаливаемость. Согласно изобретению содержание (Мо+Сr) в массовых процентах может составлять менее 3,5%. Согласно изобретению содержание Сr по отношению к содержанию Мо, в мас.%, является таким, что %Сr/%Мо>3, при этом сталь имеет теплопроводность более 26 Вт/(м·°С) при 200°С.
Молибден обладает тем свойством, что, кроме прокаливаемости, обеспечивает также хорошую стойкость в отношении отпуска. Следовательно, было показано, что молибден необходим в содержании по меньшей мере 0,3%, но не более 0,8%. Молибден может составлять от 0,45 до 0,8%, предпочтительно от 0,5 до 0,7%. Более предпочтительно используют 0,6% молибдена.
Кроме прокаливаемости, хром также вносит вклад в стойкость к окислению, и он должен присутствовать в содержании по меньшей мере 0,7%, предпочтительно по меньшей мере 1,5%, но не более 3,0%. Подходящее содержание хрома может составлять 0,7-3,0%, предпочтительно 2,2-2,8%.
Номинальное содержание хрома предпочтительно составляет 2,6%.
Марганец должен присутствовать в содержании по меньшей мере 0,3%, предпочтительно по меньшей мере 0,7% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 1%, чтобы внести вклад в придание стали требуемой прокаливаемости при ограниченном содержании молибдена и хрома, которое характеризует данную сталь. Эта сталь не должна содержать более 1,8% марганца. Подходящее содержание марганца может составлять не более 1,5%, предпочтительно не более 1,35%. Номинальное содержание марганца предпочтительно составляет 1,4%.
Ванадий должен присутствовать в стали в содержании по меньшей мере 0,4%, предпочтительно по меньшей мере 0,45% и не более 0,8, предпочтительно не более 0,7%. Ванадий также вносит вклад в придание стали хорошей стойкости к отпуску, хорошей износостойкости, а также вносит вклад в хорошую прочность путем формирования карбидов ванадия, которые обеспечивают образование относительно мелкокристаллической структуры. Предпочтительно сталь имеет содержание ванадия 0,5-0,6%.
Согласно другому воплощению изобретения содержание Мо, также как и содержание V, составляет (для обоих элементов) менее 0,7% мас., при этом сталь имеет теплопроводность более 26 Вт/(м·°С) при 200°С.
Согласно изобретению сталь может содержать не более 0,05% Al.
Согласно другому воплощению изобретения сталь может содержать 0,3-1,0%, предпочтительно примерно 0,7% Al.
Для получения данной стали можно использовать обычные, известные способы производства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В последующем описании проведенных экспериментов будет сделана ссылка на прилагаемые чертежи, в которых:
Фиг.1 изображает график требуемой износостойкости в горячих условиях для азотированных из газовой среды образцов в ходе 4-часового испытания и
Фиг.2 изображает результаты соответствующего теста при 8-часовом испытании.
Были получены три сплава в форме слитков лабораторного масштаба массой 50 кг следующим способом: ковка при 1270°С до размера 60×60 мм. Мягкий отжиг при 850°С/2 ч, охлаждение со скоростью 10°С/ч до 600°С, а затем свободное охлаждение на воздухе.
Химические составы исследованных загрузок приведены ниже в Таблице 1.
Таблица 1
Химический состав (% мас.) исследованных загрузок; остальное - железо и примеси
№ слитка
С
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
V
Al
N
O ppm
2
0,37
1,06
0,41
0,019
0,001
5,16
1,47
0,82
0,001
0,04
40
6
0,42
0,93
1,25
0,004
0,007
2,53
0,60
0,57
0,001
0,047
50
7
0,38
0,59
1,34
0,005
0,006
2,29
0,55
0,52
0,53
0,023
32
Эти сплавы термообработали согласно нижеприведенной Таблице 2.
Таблица 2
Температуры аустенизации и отпуска и ожидаемая твердость различных сплавов
Сплав
Т<sub>A</sub>(°С) 30 мин
Т<sub>отп</sub>(°С) 2×2 ч
HRC
2
1020
580
48
6,7
1020
560
48
A
Из каждого приведенного в Таблице 2 образца были изготовлены плоские образцы, имеющие размеры 5×10×30 мм. Одну из поверхностей образца, сторону 5×30 мм, шлифовали с шероховатостью (R) примерно 0,10-0,15 мкм.
Были исследованы различные образцы для того, чтобы сравнить истирание алюминием в горячих условиях. Фиг.1 изображает объемный износ примерно через 4 часа для азотированных образцов. График показывает, что образцы, полученные в соответствии с данным изобретением, то есть образцы 6 и 7, имеют повышенную износостойкость по сравнению с взятыми для сравнения сталями (образец №2).
Фиг.2 показывает результат соответствующего 8-часового опыта, демонстрирующий, что повышенную износостойкость для данного изобретения можно подтвердить и в таком эксперименте. В одном случае (образец №6) улучшение составляет более 50% относительно износостойкости традиционной стали Н13 (образец 2).
Следовательно, при сравнении стали по данному изобретению с классической сталью Н13 (образец 2), имеющей следующий состав в % мас.: 0,30-0,40 С; 0,20-0,40 Мn; 0,80-1,20 Si; 4,75-5,50 Cr; 1,25-1,75 Mo; 0,80-1,20 V; остальное - железо и неизбежные примеси, показано, что сталь по данному изобретению, имеющая состав в % мас.: 0,40 С; 0,5-1,0 Si; 1,2-1,4 Mn; 2,2-2,5 Cr; 0,5-0,6 Mo; 0,5-0,6 V, значительно улучшена в отношении очень важного свойства - износостойкости, несмотря на более низкое содержание легирующих элементов и более низкую стоимость. Учитывая традиционное понимание данной области техники, эти результаты являются сенсационными, поскольку преобладает представление, что снижение содержания хрома и/или молибдена, и/или ванадия должно привести к пониженному потенциалу азотирования. В соответствии с традиционной точкой зрения, изменения, которые были произведены в стали по данному изобретению, по сравнению с традиционной сталью Н13, должны, соответственно, привести к относительно заметному ухудшению потенциала азотирования и, следовательно, к ухудшению износостойкости. Очевидно, в стали по данному изобретению возникают некоторые типы механизмов, приводящие к прекрасному потенциалу азотирования и, следовательно, к способности достигать хорошей износостойкости, несмотря на пониженное содержание хрома, молибдена и ванадия.
Следует осознавать, что данное изобретение не ограничено вышеупомянутыми предпочтительными узкими диапазонами, но что многие варианты находятся в пределах объема данного изобретения, выраженного в п.1 формулы изобретения, при сохранении необходимых хороших свойств. Аспекты, которые конкретно являются предпочтительными по данному изобретению, приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Из нижеприведенной таблицы (Таблица 3) ясно, что сталь по данному изобретению обеспечивает свойства, требуемые для стали Н13; эта таблица проводит сравнение существенных свойств в соответствии с условными единицами, где 10 обозначает наиболее высокий балл, соответствующий наилучшему результату испытаний (при сравнении между традиционной сталью Н13 и сталью по данному изобретению), а оценка сравниваемого образца приведена в отношении этого наиболее высокого балла.
Таблица 3
Изобретение
Н13
Потенциал азотирования
Одинаков
Одинаков
Стоимость легирования
10
5
Выход, %
Одинаков
Одинаков
Технологичность
Одинакова
Одинакова
Термическое усталостное напряжение
7
10
Пластичность (20°С, 44 HRC)
Одинакова
Одинакова
Испытание по Charpy с V-образным надрезом (20°С, 48 HRC)
Одинаково
Одинаково
Прокаливаемость
6
10
Стойкость к истиранию алюминием (550°С)
10
7
Стойкость к отпуску
8
10
Прочность (550°С)
9
10
Теплопроводность
10
9
Из вышеприведенной таблицы ясно, что показатели данного изобретения по отношению к свойствам, важным для стали Н13, являются очень хорошими и что можно даже достигнуть улучшенных показателей в отношении очень важных свойств - стойкости к истиранию алюминием и теплопроводности, хотя стоимость легирующих элементов снижена почти на 50%.