Виріб з швидкорізальної сталі з високою теплостійкістю, виготовлений методом порошкової металургії

1. Виріб зі швидкорізальної сталі з високою теплостійкістю та в’язкістю, виготовлений методом порошкової металургії шляхом розпилення азотом струменя рідкого сплаву у металевий порошок і ущільнення цього порошку при високій температурі під всебічним тиском і, в разі необхідності, підданий гарячому формуванню, зокрема різальний інструмент, причому цей виріб має високий ступінь чистоти з вмістом та конфігурацією неметалічних включень у відповідності до значення К0 щонайбі 2 (19) 1 3 кремній марганець хром вольфрам молібден ванадій кобальт азот 76942 від 0,20 від 0,20 від 3,59 від 13,60 від 2,01 від 4,55 від 10,40 від 0,02 4 до 0,60 до 0,40 до 4,19 до 14,60 до 2,80 до 5,45 до 11,50 до 0,1 не більше кисень 90 млн-1. 4. Застосування різального інструмента зі швидкорізальної сталі високої теплостійкості та в'язкості, виготовленого методами порошкової металургії шляхом розпилення азотом струменя рідкого сплаву у металевий порошок і ущільнення цього порошку при високій температурі під всебічним тиском і, в разі необхідності, підданого гарячому формуванню, який має високий ступінь чистоти з вмістом та конфігурацією неметалічних включень у відповідності до значення К0 щонайбільше 3 згідно з випробуванням за ДIН 50 602 і має такий хімічний склад у мас. %: вуглець від 1,51 до 2,5 кремній марганець хром вольфрам молібден ванадій кобальт сірка азот до 0,8 до 1,5 від 3,5 до 4,5 від 13,3 до 15,3 від 2,0 до 3,0 від 4,5 до 6,9 від 10,05 до 12,0 до 0,52 до 0,2 не більше ніж кисень 100 млн-1 решта – залізо та зумовлені технологією виробництва домішки та супутні елементи, за умови, що значення різниці вмісту марганцю і сірки складає щонайменше 0,19 мас. %, відношення концентрації вольфраму до концентрації молібдену лежить у межах від 5,2 до 6,5 і вміст кобальту становить щонайбільше 70 % значення суми вмісту вольфраму та молібдену, для високошвидкісного оброблення зі зняттям стружки виробів із матеріалів, зокрема з легких металів та аналогічних сплавів, без додавання змащувальних засобів. Цей винахід стосується виробу зі швидкорізальної сталі з високою теплостійкістю та в'язкістю, виготовленого методом порошкової металургії шляхом розпилення азотом струменя рідкого сплаву у металевий порошок і ущільнення цього порошку при високій температурі під всебічним тиском і в разі необхідності підданого гарячому формуванню. До швидкорізальних сталей високої продуктивності належать сплави зі вмістом приблизно від 0,8%(мас.) до 1,0%(мас.) вуглецю, від 14%(мас.) до 18%(мас.) вольфраму, приблизно 4,5%(мас.) хрому, до 2%(мас.) молібдену, щонайменше від 1,2%(мас.) до 1,5%(мас.) ванадію і від 3%(мас.) до 20%(мас.) кобальту, решта - залізо. Висока продуктивність, яка досягається при використанні цих швидкорізальних сталей, базується на сумісному впливі елементів із сильною схильністю до утворення карбідів, тобто ванадію, вольфраму, молібдену та хрому, і елемента кобальту, який впливає на матеріал через основну масу, або матрицю. Для надання сплаву високої стабільності при відпусканні при температурах приблизно до 600°С особливо придатним, окрім вольфраму та молібдену, є ванадій. При одночасному високому вмісті вуглецю та ванадію у значній кількості утворюються також карбіди ванадію, які забезпечують особливо високу стійкість матеріалу проти спрацювання. Із швидкорізальних сталей з високим вмістом вуглецю й ванадію виготовляють, зокрема, інструменти для чистової обробки. Проте способи виготовлення виробів відливанням розплаву з застиганням у ливарних формах забезпечують можливість економічного одержання виробів тіль ки зі сплаву з хімічним складом 1,3-1,5%(мас.) С, приблизно 13%(мас.) W, 4%(мас.) Сr, 1%(мас.) Мо, від 8%(мас.) до 12%(мас.) Со і приблизно 4,5%(мас.) V, решта - залізо. При цьому гаряче формування вже такого матеріалу утруднене внаслідок високого вмісту карбідів і особливостей структури твердіння і має виконуватися при знижених температурах кування, що лежать у вузькому інтервалі; матеріал має низькі характеристики в'язкості, зокрема, низьку ударну в'язкість при згинанні після термічної обробки. Із точки зору забезпечення, з одного боку, можливості подальшого підвищення вмісту вуглецю та концентрацій карбідотвірних елементів із метою підвищення вмісту карбідів у матеріалі і, тим самим, зносостійкості матеріалу, а з іншого боку достатньої придатності для обробки та однорідності виготовлених із цього матеріалу виробів, доцільним є виготовлення легованих таким чином виробів методами порошкової металургії. Виготовлення виробів методами порошкової металургії включає як основні стадії розпилення розплаву сталі з одержанням металевого порошку, завантаження та ущільнення металевого порошку в капсулі, закривання капсули та ізостатичне гаряче пресування порошку в капсулі з одержанням щільного однорідного матеріалу. Цей матеріал, виготовлений методом порошкової металургії, після відповідної термічної обробки можна безпосередньо використовувати для виготовлення виробів або піддавати його попередньому гарячому формуванню, наприклад, шляхом кування. Вироби зі швидкорізальної сталі, які викорис 5 76942 6 товуються під високими робочими навантаженнячень за ДІН 50 602, метод К0, є важливою вимоми, зокрема, різальні інструменти високої довговігою. чності, для забезпечення економічності виробницСукупність високих властивостей сплаву згідно тва повинні мати різноманітні властивості високого з цим винаходом є наслідком синергічної взаємодії рівня. елементів згідно з їх активностями. При цьому Отже, в основу винаходу покладено завдання важливо, щоб у швидкорізальній сталі значення одержання виробу зі швидкорізальної сталі, зокконцентрацій елементів вуглецю, хрому, вольфрема, такого виробу для різального інструмента раму, молібдену, ванадію та кобальту лежали в високої продуктивності, який має високий ступінь межах вузьких діапазонів, і щоб вміст кисню не чистоти з точки зору присутності оксидів, високу перевищував максимального припустимого знатвердість при відповідній в'язкості в термічно обчення. Вміст вуглецю слід розглядати з урахуванробленому стані матеріалу, а також поліпшену ням високої спорідненості вольфраму, молібдену твердість після термічної обробки. та ванадію до вуглецю. Вищезазначені легувальні Ще одною метою цього винаходу є одержання метали утворюють стійкі первинні карбіди та втовиробу зі швидкорізальної сталі для використання ринні тверді карбіди, але після взаємодії в міру як інструмента для високошвидкісного різання масвоєї активності відкладаються також у змішаних теріалів без додавання змащувальних засобів, кристалах матриці. зокрема, для оброблення легких металів та аналоЯкщо концентрація вуглецю перевищує знагічних сплавів зі зняттям стружки. чення 2,5% (мас), то виникає помітне окрихчуванЗгідно з винаходом ця мета стосовно до вироня матеріалу швидкорізальної сталі, що може прибу зі швидкорізальної сталі вищезазначеного типу звести до непридатності виробу, наприклад, досягається тим, що виріб має високу міру чистоти різального інструмента. При вмісті вуглецю менше зі вмістом та конфігурацією неметалічних вклю1,51%(мас.) зменшується вміст карбідів і значно чень у відповідності до значення K0 щонайбільше знижується зносостійкість матеріалу. Згідно з ви3 згідно з випробуванням за ДІН 50 602, і має танаходом вміст вуглецю має бути в межах від кий хімічний склад у % (мас.): 1,51%(мас.) до 2,5% (мас). Вуглець (С ) від 1,51 до 2,5 Максимальне припустиме значення концентКремній (Sі) до 0,8 рації хрому 4,5%(мас.) базується на тому, що при Марганець (Мn) до 1,5 більш високих концентраціях частка хрому в матХром (Сr) від 3,5 до 4,5 риці сприяє стабілізації вмісту залишкового аустеВольфрам (W) від 13,3 до 15,3 ніту при гартуванні. При концентраціях хрому вище Молібден (Мо) від 2,0 до 3,0 мінімального припустимого значення 3,5%(мас.) Ванадій (V) від 4,5 до 6,9 має місце бажане підвищення міцності матриці Кобальт (Со) від 10,05 до 12,0 внаслідок включення атомів легувального металу Сірка (S) до 0,52 в змішані кристали; відповідно вміст хрому в матеАзот (N) до 0,2 ріалі згідно з винаходом лежить в інтервалі від Кисень (О) не більш ніж 100 частин на 3,5%(мас.) до 4,5% (мас). млн. Вольфрам і молібден мають високу споріднезі значенням різниці вмісту марганцю і сірки ність до вуглецю, швидко утворюють однотипні щонайменше 0,19%(мас.), решта - залізо та зумокарбіди і, згідно з неодноразово підтвердженою влені технологією виробництва домішки та супутні думкою фахівців, можуть замінювати один одного елементи, за умови, що відношення концентрації у масовому відношенні 2:1, відповідно до їх атомвольфраму до концентрації молібдену лежить у них мас. Несподівано було виявлено, що ця здатмежах від 5,2 до 6,5 і що вміст кобальту становить ність до взаємної заміни не є незмінною, а, навпащонайбільше 70% значення суми вмістів вольфки, з урахуванням активностей цих легувальних раму і молібдену. елементів, утворення змішаних карбідів та вміст Переваги, які забезпечуються виробами згідно елементів у змішаних кристалах можна регулюваз цим винаходом, є наслідками сумарного впливу ти; це питання буде більш детально розглянуто складових компонентів на поліпшення властивоснижче при поясненні теплостійкості швидкорізальтей одержуваного матеріалу, подібно до того, як, ної сталі. згідно з наочним прикладом, вантажопідйомність Ванадій належить до елементів, найбільш ланцюга визначається міцністю його найслабшої схильних до утворення монокарбідів; його карбіди ланки. Оксидні включення є дефектними місцями мають високу твердість і забезпечують надзвичайзі здебільшого ребристою будовою і, як було вину зносостійкість матеріалу. Зносостійкість забезявлено, знижують критичне напруження виникненпечується дрібнозернистою структурою та значним ня тріщин у матеріалі, термічно обробленому до рівнем однорідності розподілу монокарбідів; обидвисокої твердості, при змінних напружених станах ві особливості досягаються при виготовленні маматеріалу. Оскільки в матриці з високою твердістю теріалу методами порошкової металургії. Зокрема, в термічно обробленому стані та високою термічванадій, але також і вольфрам та молібден, при ною стійкістю зародження тріщин під впливом грувисоких температурах частково переходять у розбозернистих оксидних включень у матеріалі зросчин, що після швидкого охолодження виробу затає непропорційно їх вмісту, в той час як виявлено, безпечує значний потенціал вторинної твердості що вплив включень малого діаметра та малої довнаслідок осадження надзвичайно дрібнозернисвжини є незначним, то, згідно з винаходом, знатих, збагачених ванадієм вторинних карбідів у чення сумарної характеристики не більше 3 при процесі відпускання та позитивно впливає на тепвипробуваннях на присутність неметалічних вклюлостійкість матеріалу. Якщо вміст ванадію пере 7 76942 8 вищує 6,9% (мас), то або слід збільшувати вміст від 5,2 до 6,5 швидкість зростання розмірів частивуглецю у сплаві, що призводить до окрихчування нок вторинних карбідів і, отже, зниження твердості матеріалу, або виникає збіднення сплаву вуглематеріалу, при високих температурах є мінімальцем, що викликає зменшення міцності, зокрема, ною, при цьому вміст кобальту нижче 70% від суми зниження міцності матриці при високих темпераконцентрацій вольфраму та молібдену впливає на турах. При концентраціях ванадію менш ніж збільшення кількості зародків утворення зерен 4,5%(мас.) значно погіршується зносостійкість тевторинних карбідів і тим самим на їх тонкодисперрмічно оброблених виробів. сний розподіл, що в сукупності забезпечує високу Кобальт у швидкорізальній сталі не є карбідотеплостійкість виробу зі швидкорізальної сталі. твірним елементом, проте він сприяє підвищенню Кремній у сплаві сприяє підвищенню міцності міцності матриці і значно поліпшує теплостійкість змішаних кристалів та видаленню кисню, однак із виробу. При високих концентраціях кобальту в міркувань збереження твердості матеріалу його даній швидкорізальній сталі - понад 12,0%(мас.) вміст має бути не більше 0,8% (мас). виникає окрихчування основної маси матеріалу, в Марганець може впливати на характеристики той час як концентрації нижче ніж 10,05%(мас.) твердості матеріалу, проте доцільно розглядати спричиняють помітне зниження твердості матриці його спільний вплив із сіркою, при цьому сірку й при підвищених температурах. марганець слід вважати елементами, які поліпшуВ передбаченому цим винаходом інтервалі ють оброблюваність сталі внаслідок утворення в концентрацій від 10,05%(мас.) до 12,0%(мас.) кокінцевому підсумку сульфідів. Перевага віддається бальт внаслідок свого високого коефіцієнта дифунизькому вмісту марганцю в сталі, проте різниця зії полегшує дифузійні процеси при відпусканні вмістів марганцю й сірки не може бути менше ніж загартованого виробу у зв'язку з посиленим утво0,19% (мас), оскільки в іншому разі можуть виниренням зародків і тим самим сприяє осадженню кати утруднення при гарячому формуванні та погівторинних карбідів у значній кількості та у вигляді ршення властивостей матеріалу при високих темдрібних зерен, які, крім того, збільшуються у розпературах використання виробу. мірі дуже повільно, що позитивно впливає на міцАзот може позитивно впливати на характерисність матриці, зокрема, при підвищених температики теплостійкості внаслідок утворення в матерітурах. алі згідно з винаходом карбонітридів, які мають Зерна дрібнозернистих вторинних карбідів, які низьку розчинність при високих температурах, надають матеріалу в термічно обробленому стані проте з точки зору уникнення утруднень при виговисоку твердість і міцність, при високих робочих товленні матеріалу його вміст має бути не більше температурах збільшуються в розмірах або коагуніж 0,2%(мас). люють внаслідок дифузійних процесів. При висоУ варіантах здійснення цього винаходу швидкому вмісті вольфраму в сплаві і, відповідно, у корізальна сталь, з метою подальшого поліпшення вторинних карбідах відносно великі атоми вольфїї експлуатаційних характеристик, може в межах раму внаслідок зниженого коефіцієнта дифузії у вищезазначеного хімічного складу включати в сепорівнянні з молібденом та ванадієм спричиняють бе один або кілька елементів у таких концентрацізначне сповільнення процесів зростання зерен та ях у % (мас): стабілізації системи при високих температурах; С від 1,75 до 2,38 виявлено, що це явище має місце також і в змішаSi від 0,35 до 0,75 них карбідах. При вмісті вольфраму в межах від Мn від 0,28 до 0,54 13,3%(мас.) до 15,3% (мас), як передбачено цим Сr від 3,56 до 4,25 винаходом, і вищезазначених значеннях вмісту W від 13,90 до 14,95 інших елементів із сильною схильністю до утвоМo від 2,10 до 2,89 рення карбідів забезпечується довготривала низьV від 4,65 до 5,95 ка схильність до збільшення зерен вторинних карСo від 10,55 до 11,64 бідів при підвищених температурах і, таким чином, N від 0,018 до 0,195 до зменшення відстаней між зернами карбідів, що При обмеженому таким чином стосовно до запобігає порушенням ґрат матриці і зниженню окремих елементів хімічному складі окремі властвердості матеріалу. Матеріал довше зберігає тивості матеріалу можна особливо поліпшити. свою твердість навіть в умовах високих теплових Подальше звуження діапазонів концентрацій навантажень, отже, має підвищену теплостійкість. легувальних компонентів доцільно використовуваМолібден має важливе значення для кінетики ти з метою цілеспрямованого пристосування мареакцій та утворення змішаних карбідів, при цьотеріалу до конкретних вимог застосування; при му, згідно з винаходом, ефективним є його вміст в цьому виріб в межах вищезазначеного складу момежах від 2,0%(мас.) до 3,0% (мас). же включати в себе один або кілька елементів у Максимальний припустимий вміст кисню петаких концентраціях у % (мас): редбачено на рівні 100 частин на мільйон з урахуC від 1,69 до 2,29 ванням кількості неметалічних включень та сукупSі від 0,20 до 0,60 ності властивостей матеріалу під навантаженням. Мn від 0,20 до 0,40 Важливе значення для забезпечення високої Сr від 3,59 до 4,19 теплостійкості матеріалу в термічно обробленому W від 13,60 до 14,60 стані має відношення концентрацій вольфраму й Мо від 2,01 до 2,80 молібдену, а також концентрація кобальту, пов'яV від 4,55 до 5,45 зана із вмістом цих елементів. При значенні відСо від 10,40 до 11,50 ношення вмісту вольфраму до вмісту молібдену N від 0,02 до 0,1 9 76942 Fe та домішки не більше 90 частин на мільйон Ще одна мета цього винаходу досягається застосуванням різального інструмента зі швидкорізальної сталі високої теплостійкості та в'язкості, виготовленого методами порошкової металургії шляхом розпилення азотом струменя рідкого сплаву у металевий порошок і ущільнення цього порошку при високій температурі під всебічним тиском і в разі необхідності підданого гарячому формуванню, який має високий ступінь чистоти зі вмістом та конфігурацією неметалічних включень у відповідності до значення K0 щонайбільше 3 згідно з випробуванням за ДІН 50 602 і має такий хімічний склад у % (мас): C від 1,51до 2,5 Sі до 0,8 Мn до 1,5 Сr від 3,5до 4,5 W від 13,3до 15,3 Мо від 2,0до 3,0 V від 4,5до 6,9 Со від 10,05до 12,0 S до 0,52 N до 0,2 Fe та домішки інше є за умови, що відношення концентрації вольфраму до концентрації молібдену лежить у межах від 5,2 до 6,5, і що вміст кобальту становить щонайбільше 70% значення суми вмістів вольфраму і молібдену для високошвидкісного оброблення зі зняттям стружки виробів із матеріалів, зокрема, з легких металів та аналогічних сплавів, без додавання змащувальних засобів. Виявлено, що при таких вимогах застосування інструментів згідно з цим винаходом дозволяє досягти особливо значного підвищення довговічності інструментів у важких умовах роботи, що, зокрема, сприяє досягненню значних економічних переваг при обробленні виробів зі зняттям стружки. Винахід буде пояснено більш детально базуючись на результатах порівняльних випробувань. В Таблиці 1 подано хімічний склад виробу зі швидкорізальної сталі згідно з цим винаходом та аналогічні характеристики матеріалів порівняння. На Фіг.1 показано криві відпуску матеріалів. Геометрія зразків та умови термічної обробки були такі: 10 Форма зразків: півкруг Rd=30 10мм Аустенітізація у вакуумі при 1210°С Гартування у струмені азоту Відпуск: 3 рази 2год. На Фіг.2 показано порівняльні результати випробування матеріалів на міцність при згинанні за чотирьохточковою схемоюдля характеристик зразків, вказаних нижче. Випробування виконували за схемою, показаною на Фіг.2а, в умовах, вказаних нижче. Форма зразків: Круглий пруток Rd 5,0мм Гартування у вакуумі при 1210°С Відпуск: 3 рази 2 год. На Фіг.3 показано характеристику твердості термічно оброблених матеріалів при 650°С в часі (в логарифмічному масштабі), причому початкова твердість усіх зразків була приблизно однакова і становила 67-68 НКС. Випробування твердості після термічної обробки виконували за динамічним методом, розробленим Центром матеріалознавства (Wеrkstoff-Kompenzzentrum Leoben) і описаним в журналі «Zeitschrift fuer Metallkunde» 90 (1999) 8, 637. Зіставлення результатів випробувань показує, що криві залежності твердості від відпуску (Фіг.1) різних матеріалів лежать близько одна до одної і що при температурах відпуску вище 570°С найвищу твердість має сплав 2. Хоча матеріал згідно з цим винаходом має найвищу міцність при згинанні (Фіг.2), відмінності його від матеріалів порівняння не дуже значні. Зіставлення показників твердості швидкорізальних сталей після термічної обробки (Фіг.3) свідчить про помітну перевагу виробу з матеріалу, склад якого відповідає цьому винаходу. Ця висока твердість після термічної обробки та особливо висока міра чистоти матеріалу стосовно до оксидів обумовили виявлене при практичному використанні різальних інструментів для високошвидкісного різання відливків з алюмінієвокремнієвого сплаву у переривчастому режимі без використання змащувальних засобів підвищення довговічності інструментів на 38%, при цьому спрацювання було зумовлене, головним чином, наявністю численних включень кремнію в алюмінієво-кремнієвих сплавах. Таблиця 1 Хімічний склад швидкорізальної сталі згідно з винаходом та сплавів порівняння Склад, % Сплав 1 Сплав 2 Сплав 3 Сплав 4 Сплав згідно з винаходом С 2,30 3,40 2,15 2,10 W 6,32 10,00 13,00 14,00 Мо 6,52 4,80 0,00 5,70 V Со Sі 6,15 10,30 0,62 9,50 8,50 0,61 6,20 9,90 0,73 5,30 11,40 0,31 Мm 0,28 0,38 0,28 0,27 2,00 14,30 2,50 5,00 11,00 0,40 0,30 0,018 0,050 0,007 0,28 S 0,002 0,016 0,008 0,006 N 0,074 0,050 0,067 0,039 О 0,007 0,020 0,020 0,012 Мn-S W/Мо 0,28 0,97 0,36 2,08 0,27 / 0,26 2,46 5,72 11 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 76942 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601