Інструментальна сталь високої міцності, спосіб виготовлення деталей з такої сталі та готові деталі

Даний винахід стосується складу інструментальної сталі, що має підвищену міцність у порівнянні зі складами сталі з попереднього рівня техніки, способу одержання такого складу, а також деталей, одержуваних за допомогою цього способу. Інструментальні сталі широко застосовуються, зокрема, у тих випадках, коли виникає необхідність відносних переміщень між металевими деталями, що торкаються одна одної, при цьому одна з деталей повинна якомога довше зберігати свою геометричну цілісність. Як приклади виконання можна вказати металообробні та металорізальні інструменти, а також метрологічне устатк ування. Збереження геометричної цілісності цих деталей вимагає гарної зносостійкості, гарної опірності деформаціям і розриву при дії статичних і динамічних напруг і, внаслідок цього, застосовувана сталь повинна мати високу . міцність і твердість. Крім того, склад сталі повинен мати гарну загартованість для того, щоб після загартування структура залишалася максимально однорідною по великій товщині. Разом з тим усі ці різні вимоги часто суперечать одна одній. Так, відома і широко застосовується марка сталі для холодної обробки, називана AISI D2, що містить 1,5мас.% карбону та 12мас.% хрому з кількома додатковими добавками карбідотвірних зміцнювальних елементів, таких як Мо чи V. Високий вміст карбону і хрому приводить до значного осадження евтектичних карбідів типу М7С 3, що утворюються при високій температурі наприкінці отвердження і виявляються досить великими й неоднорідно розподіленими в металевій матриці. Якщо присутність великої об'ємної частки твердих карбідів у сталі сприяє підвищенню зносостійкості, то їхній неналежний розподіл негативно позначається на міцності. Для рішення цієї проблеми було запропоновано зменшити вміст карбону і хрому в цих складах приблизно до 1 і 8%, відповідно, з компенсуючим підвищенням вмісту молібдену приблизно до 2,5% [ЕР 0930374]. Зниження вмісту карбону дозволяє зменшити об'ємну частку евтектичних карбідів і підвищити у такий спосіб міцність. Збагачення цих карбідів молібденом, що підвищує їхню твердість, у свою чергу дозволяє підтримувати на належному рівні твердість і зносостійкість сталі. Разом з тим, залишається необхідність поліпшення розподілу цих карбідів, щоб підвищи ти міцність, не знижуючи при цьому характеристик твердості і зносостійкості сталі. Автори винаходу констатували, що досягнення нового компромісного рішення між вимогами міцності та механічній стійкості і зносостійкості є можливим при достатньому вмісті нітрогену в сполученні з мінімальним вмістом титану та/або цирконію, при цьому останнє залежить від вмісту нітрогену. Говорячи більш конкретно, було відзначене здрібнювання карбідів хрому, молібдену і вольфраму з одночасним підвищенням міцності при: - з одного боку, N більше чи дорівнює 0,004%, краще, більше чи дорівнює 0,006%; - з іншого боку, (Ті+Zr/2)´Ν більше чи дорівнює 2,5×10-4, при цьому вміст Ті, Zr і N виражається у % масових. Дана вимога одночасної наявності нітрогену і титану чи цирконію передбачає, що активним фактором є присутність нітридів титану чи цирконію, яким відводиться роль здрібнювача карбідів хрому, молібдену і вольфраму. Середній розмір самих великих карбідів хрому, молібдену і вольфраму зменшується від значення 10мкм відповідно до попереднього рівня техніки до значення приблизно 4мкм відповідно до даного винаходу. Таким чином, першим об'єктом даного винаходу є сталь такого складу, вираженого у мас.%: С більше чи дорівнює 0,8 та менше чи дорівнює 1,5 Сr більше чи дорівнює 5,0 та менше чи дорівнює 14 Μn більше чи дорівнює 0,2 та менше чи дорівнює 3 Ni менше чи дорівнює 5 V менше чи дорівнює 1 Nb менше чи дорівнює 0,1 Si+ΑΙ менше чи дорівнює 2 Сu менше чи дорівнює 1 S менше чи дорівнює 0,3 Са менше чи дорівнює 0,1 Se менше чи дорівнює 0,1 Те менше чи дорівнює 0,1 Mo+W/2 більше чи дорівнює 1,0 та менше чи дорівнює 4 Ті+Zr/2 більше чи дорівнює 0,06 та менше чи дорівнює 0,15 N більше чи дорівнює 0,004 та менше чи дорівнює 0,02, решта - ферум та виробничі домішки, при цьому необхідно враховувати, що (Ті+Zr/2)´Ν менше чи дорівнює 2,5×10-4. У кращому варіанті реалізації даного винаходу склад сталі містить, у мас.%: С більше чи дорівнює 0,8 та менше чи дорівнює 1,2 Сr більше чи дорівнює 7,0 та менше чи дорівнює 9 Μn більше чи дорівнює 0,2 та менше чи дорівнює 1,5 Ni менше чи дорівнює 1 V більше чи дорівнює 0,1 та менше чи дорівнює 0,6 Nb менше чи дорівнює 0,1 Si+ΑΙ менше чи дорівнює 1,2 Сu менше чи дорівнює 1 S менше чи дорівнює 0,3 Са менше чи дорівнює 0,1 Se менше чи дорівнює 0,1 Те менше чи дорівнює 0,1 Mo+W/2 більше чи дорівнює 2,4 та менше чи дорівнює 3 Ті+Zr/2 більше чи дорівнює 0,06 та менше чи дорівнює 0,15 N більше чи дорівнює 0,004 та менше чи дорівнює 0,02, решта - ферум та виробничі домішки, при цьому необхідно враховувати, що (Ті+Zr/2)´Ν менше чи дорівнює 2,5×10-4. Вміст титану та/або цирконію в сталі відповідно до даного винаходу повинен знаходитися в межах від 0,06 до 0,15мас.% Дійсно, за межею 0,15мас.% осадження нітридів титану та/або цирконію починає коалесціювати і втрачає свою ефективність. І навпаки, коли вміст стає меншим за межу 0,06мас.%, кількість присутнього титану та/або цирконію є недостатньою для повноцінного утворення нітридів титану та/або цирконію і необхідного підвищення міцності і зносостійкості. Необхідно відзначити, що цирконій може цілком чи частково замістити титан з розрахунку двох частин цирконію на одну частину титану. Вміст нітрогену в сталі відповідно до даного винаходу повинен знаходитися в межах від 0,004 до 0,02мас.%, краще, від 0,006 до 0,02мас.% Його вміст обмежують до 0,02мас.% тому що за цією межею міцність знижується. Вміст карбону в сталі відповідно до даного винаходу повинен знаходитися в межах від 0,8 до 1,5мас.%, краще, від 0,8 до 1,2мас.% Карбон повинен бути присутнім у достатній кількості для утворення карбідів і одержання необхідного для даної марки сталі рівня твердості. Відповідно до іншого кращого варіанта реалізації даного винаходу, вміст карбону в сталі відповідно до винаходу повинен знаходитися в межах від 0,9 до 1,5мас.% для забезпечення більш високої твердості без зміни термічної обробки і для підвищення зносостійкості шляхом збільшення об'ємної частки твердих карбідів. Вміст хрому в сталі відповідно до даного винаходу повинен знаходитися в межах від 5 до 14мас.%, краще, від 7 до 9мас.% Цей елемент, з одного боку, дозволяє підвищити загартованість марки сталі і, з іншого боку, сприяє утворенню зміцнювальних карбідів. Вміст марганцю в сталі відповідно до даного винаходу повинен знаходитися в межах від 0,2 до 3мас.%, краще, від 0,2 до 1,5мас.% Його додають до складу сталі відповідно до даного винаходу, тому що він є елементом, який сприяє загартовуванню, однак його вміст обмежують для зменшення сегрегації, що призводить до погіршення ковкості і до зниження міцності. Сталь може містити до 5мас.% нікелю. Краще, вміст цього елемента повинен бути нижче 1мас.% Його можна додавати до складу сталі відповідно до даного винаходу, тому що він є елементом, який сприяє загартовуванню і не спричинює сегрегації. Разом з тим, його вміст обмежують, тому що він є гаммагенним елементом, що сприяє утворенню залишкового аустеніту. Для підвищення стійкості до розм'якшення у поширених випадках, коли перед застосуванням сталь піддають відпуску, корисно додавати до складу стійкі карбідотвірні елементи, що сприяють утворенню при відпуску дрібних карбідів типу МС. Найкращим з них є ванадій, тому його застосовують при значеннях вмісту, які щонайменше дорівнюють 0,1%, але не перевищують 1%, краще, є меншими за 0,6%. Ніобій, що прагне до осадження при більш високій температурі і з цієї причини значно погіршує ковкість сталі, бажано не застосовувати, і в будь-якому випадку його вміст не повинен перевищувати 0,1% і, краще, повинен бути менше 0,02мас.% Вміст силіцію та/або алюмінію в сталі відповідно до даного винаходу повинен бути менше 2мас.% Крім відновлення сталі, ці елементи дозволяють сповільнити процес коалесценції при нагріванні і тому знижують кінетику розм'якшення при відпуску. їхній вміст обмежують, тому що за межами 2мас.% вони підвищують крихкість складу сталі. Вміст молібдену та/або вольфраму в сталі відповідно до даного винаходу повинен знаходитися в межах від 1 до 4мас.%, краще, від 2,4 до 3мас.% Необхідно відзначити, що вольфрам може цілком чи частково заміщати молібден з розрахунку дво х частин вольфраму на одну частину молібдену. Ці два елементи сприяють підвищенню загартованості складу сталі й утворенню зм'якшуючих карбідів. їхній вміст обмежують, тому що вони є причиною сегрегації. Купрум може бути присутнім у сталі, хоча його вміст повинен бути менше 1%, щоб не погіршувати властивості ковкості складу сталі. Крім того, для того, щоб підвищити оброблюваність сталі, можна додавати сірку, при цьому її вміст не повинен перевищува ти 0,3%, з додаванням, у разі потреби, кальцію, селену, телур у при вмісті кожного з цих елементів, меншому 0,1%. Одержання складу сталі відповідно до даного винаходу, включаючи варіант додавання титану та/або цирконію, можна здійснювати за допомогою будь-якого відомого способу, разом з тим її краще одержувати за допомогою способу відповідно до даного винаходу, який є другим об'єктом пропонованого винаходу. Спосіб виготовлення деталей включає перший етап, що складається в одержанні рідкої сталі шляхом розплавлення комплексу елементів складу сталі відповідно до даного винаходу, за винятком титану та/або цирконію, а потім у додаванні до розплаву сталі титану та/або цирконію, при цьому необхідно постійно стежити, щоб не виникало надмірної локальної концентрації титану та/або цирконію в розплаві сталі. Дійсно, автори даного винаходу відзначили, що відомі з попереднього рівня техніки способи мають включення добавок титану і цирконію у виді масивних елементів феросплаву чи металу, як правило, великих і, отже, нечисленних нітридів титану та/або цирконію, тим більше, що частина з них може навіть прагнути до осадження. Така ситуація скоріш за все зв'язана з тим, що дані способи включення добавок приводять до надмірної локальної концентрації титану та/або цирконію в рідині по сусідству з елементами, що додаються. Один з варіантів реалізації першого етапу способу відповідно до даного винаходу полягає в безперервному додаванні титану та/або цирконію до шлаку, що покриває рідкий розплав сталі, при цьому титан та/або цирконій поступово поширюється в розплаві сталі. Інший варіант реалізації першого етапу способу відповідно до даного винаходу полягає в додаванні титану та/або цирконію шляхом постійного введення дроту з цього елемента чи цих елементів до розплаву сталі, при цьому збовтуючи розплав шляхом утворення бульок чи будь-яким іншим відповідним способом. Ще один варіант реалізації першого етапу способу відповідно до даного винаходу полягає в додаванні титану та/або цирконію шляхом вдування в розплав порошку, що містить цей елемент чи ці елементи, при цьому збовтуючи розплав шляхом утворення бульок чи будь-яким іншим відповідним способом. У рамках даного винаходу, краще, застосовують описані вище різні варіанти реалізації, однак само собою зрозуміло, що можна також застосовувати будь-який інший спосіб, що дозволяє уникнути надмірної локальної концентрації титану та/або цирконію. Як правило, спосіб реалізують в електродуговій печі чи в індукційній печі. Наприкінці процесу сталь виливають у виді злитків чи слябів. Для здрібнення структури можна застосовувати перемішування у виливниці чи використовувати спосіб повторної плавки під шлаком за допомогою витратного електрода. Ці злитки чи сляби згодом трансформуються за допомогою способів обробки формуванням шляхом гарячої пластичної деформації, таких, наприклад, як кування чи прокатка. Після цього сталь піддають термічній обробці способами, звичайно застосовуваними для інструментальної сталі. Така термічна обробка, у разі потреби, може включати відпал для полегшення різання та механічної обробки, потім аустенітизацію з наступним охолодженням способом, що відповідає товщині, таким як водяне чи масляне охолодження, з можливим наступним відпуском в залежності від рівня твердості, який треба забезпечити. Третім об'єктом заявленого винаходу є деталь зі сталі складу у відповідності до даного винаходу чи деталь, одержана за допомогою способу відповідно до даного винаходу, у якій середній розмір осаджень карбідів хрому, молібдену чи вольфраму в результаті отвердження знаходиться в межах 2,5-6мкм, краще, від 3 до 4,5мкм. Даний винахід проілюстрований нижченаведеними спостереженнями і прикладами, при цьому в Таблиці 1 приведений хімічний склад підданих випробуванням сталей, серед яких розплав 1 відповідає даному винаходу, а розплав 2 наведений для порівняння. Таблиця 1 Склад (мас.%) С Сr Μn Ni Сu V Nb Si ΑΙ Mo W Ті Zr N Розплав 1 0,98 8,40 0,79 0,35 0,26 0,37 0,01 0,97 0,03 2,60 0,11 0,011 Розплав 2 0,96 8,20 0,83 0,31 0,22 0,40 0,09 0,94 0,03 2,50 0,004 0,009 Використовувані абревіатури: Pv: об'ємні втрати, виражені у мм 3; KV: енергія розриву, виражена в Дж/см 2; Т: міцність, виражена в Дж/см 2. Приклад 1 - Міцність Виготовляють дві деталі з розплаву 1 відповідно до даного винаходу та з порівняльного розплаву 2, здійснюючи гарячу прокатку при 1150°С злитків, одержаних з цих складів. Після цього зразки піддають аустенітизації при 1050°С протягом однієї години, загартуванню в маслі, потім подвійному відпуску при 525°С протягом однієї години для досягнення твердості 60 одиниць по Роквелу за шкалою HRC. Після цього проводять дві серії випробувань з використанням різних методів визначення міцності: - випробування на ударний згин зразка за Шарпі, виконаного у виді бруска з V-подібним надрізом, за французьким стандартом NF EN 10045-2, що дозволяє визначити енергію розриву KV; і - випробування на ударний згин бруска без надрізу (брусок розміром 10мм на 10мм), що дозволяє визначити міцність Т. Одержані результати наведені у наступній Таблиці: Таблиця Розплав 1 Розплав 2 KV (Дж/см 2) 14,0 10,5 Τ (Дж/см 2) 59 47 Як видно з таблиці, незалежно від застосовуваного методу, використання розплаву 1 відповідно до даного винаходу забезпечує досягнення більш високої міцності у порівнянні з порівняльним розплавом 2. Приклад 2 - Зносостійкість Аналогічно прикладу 1 виготовляють дві деталі і проводять вимір зносостійкості за стандартом ASTM G52, що дозволяє визначити об'ємні втрати випробуваних зразків. Це випробування полягає у вимірі втрати ваги зразка, який піддають абразивному зносу за допомогою струминки кварцового піску з каліброваною гранулометрією, який пропускають між погумованим колесом та нерухомим зразком. Одержані результати приведені у наступній Таблиці: Таблиця Розплав 1 Розплав 2 PV (мм 3) 17,5 18,5 Відзначається, що використання розплаву 1 відповідно до даного винаходу забезпечує деяке підвищення зносостійкості у порівнянні з порівняльним розплавом 2.