Сталева заготовка для виготовлення прес-форми для лиття під тиском пластмаси або лиття металів, або для виготовлення деталей металообробкою

УКРАЇНА (19) UA (11) 77516 (13) C2 (51) МПК (2006) C22C 38/00 C21D 1/18 B22C 9/06 B29C 33/38 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СТАЛЕВА ЗАГОТОВКА ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ПРЕС-ФОРМИ ДЛЯ ЛИТТЯ ПІД ТИСКОМ ПЛАСТМАСИ АБО ЛИТТЯ МЕТАЛІВ, АБО ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛООБРОБКОЮ 1 сталі крім того задовольняє наступне співвідношення показників: 9 (13) 77516 J Min(N,0,5( N - 0,52A1 (N - 0,52A1)2 283 )) . 2. Сталева заготовка за п.1, яка відрізняється тим, що вона додатково містить один або більше елементів, вибраних з групи, яка містить сірку, селен і телур, сумарний вміст яких 0,2 мас. %. 3. Сталева заготовка за п.1, яка відрізняється тим, що вона додаткова містить один або більше елементів, вибраних з групи, яка містить свинець і вісмут, сумарний вміст яких 0,2 мас. %. 4. Сталева заготовка за п.1, яка відрізняється тим, що вона додатково містить кальцій 0,1мас.%. 5. Сталева заготовка за п. 1, яка відрізняється тим, що показник R >11. 6. Сталева заготовка за будь-яким з пп. 1-5, яка відрізняється тим, що показник R 2,7 Tr . 7. Сталева заготовка за будь-яким з пп. 1-6, яка відрізняється тим, що вміст кремнію нижче 0,45мас. %, а вміст вуглецю 0,35мас.%. C2 , де Tr=1,8·С+1,1·Mn+0,7·Ni+0,6·Cr+1,6·Mo*+0,5, Dr=54·С0,25+24,5·(Mo*+3xV*)0,301,58·Mn+0,74·Ni+1,8· Si+12,5·(Cr)0,20, U=1600·C+100·(0,25·Cr+Mo*+4,5·V*), R=3,8·C+10·Si+3,3·Mn+2,4·Ni+1,4·(Cr+Mo*), Mo*=Mo+W/2, V*=V+Nb/2+Ta/4, причому зазначення хімічних складових сталі подано у мас. %, а вміст у сталі бору, алюмінію, титану, цирконію і азоту визначають згідно із співвідношенням, мас. %: 1 B xK1 0,5 , 3 де К1=Min(I*; J*), І*=Мах(0; І) і J*=Мах(0; J), І=Min(N; N-0,29(Ti+Zr/2-5)), (11) Tr 85 Dr 95 U/Dr 10,0 Mo * 3 V* 0,4 UA 3,2 (19) (21) 20041108936 (22) 01.04.2003 (24) 15.12.2006 (86) PCT/FR03/01013, 01.04.2003 (31) 02/04115 (32) 03.04.2002 (33) FR (46) 15.12.2006, Бюл. № 12, 2006 р. (72) Бегіно Жан , FR (73) ІНДУСТІЛ ФРАНС, FR (56) US, 5785924, A, 28.07.1998 US, 5139737, A, 18.08.1992 US, 5645794, A, 08.07.1997 US, 5695576, A, 09.12.1997 US, 5855845, A, 05.01.1999 EP, 1069198, A1, 17.01.2001 EP, 0882808, A1, 09.12.1998 US, 5013524, A, 07.05.1991 US, 3615879, A, 26.10.1971 JP, 08165542, A, 25.06.1996 (57) 1. Сталева заготовка для виготовлення пресформи для лиття під тиском пластмаси або лиття металів та виготовлення шляхом металообробки деталей прес-форми товщиною більше 20 мм, структура якої є мартенситною або мартенситобейнітною, твердість її лежить у межах від 430 до 530 НВ, а хімічний склад сталевої заготовки включає у мас. %: 0,180 C 0,400 Si 0,8 Mn 2,5 Ni 3 Cr 3,5 Mo W/2 2,8 V Nb/2 Ta/4 0,5 Al 0,4 Ti Zr/2 0,1 0,0005 В 0,015, при цьому решта сталі складається із заліза та домішок, наприклад, міді, причому хімічний склад 2 3 77516 4 12. Сталева заготовка за п. 11, яка відрізняється 8. Сталева заготовка за будь-яким з пп. 1-4, яка відрізняється тим, що відношення тим, що хімічний склад сталі включає, мас. %: R/(2,7 Tr) ≤ 0,90 . 0,240 C 0,320 9. Сталева заготовка за п. 8, яка відрізняється Si 0,15 тим, що відношення R/(2,7 Tr) ≤ 0,80 . 0,1 Mn 1,6 10. Сталева заготовка за будь-яким з пп. 1-9, яка Ni 2,0 відрізняється тим, що відношення U/Dr 4,5. Ni 2,5 14. Сталева деталь прес-форми, яка отримана 0,2 Cr 3,0 шляхом механічної обробки заготовки за будьMo W/2 2,5 яким з пп. 1-13, твердість щонайменше частини V Nb/2 Ta/4 0,3 поверхні якої підвищена шляхом нітрування, а твердість самої сталевої деталі лежить у межах Mo * 3 V* ≥ 0,8 . від 430 до 530 HB. Винахід стосується сталевої заготовки придатної, зокрема, для виготовлення прес-форми для лиття під тиском пластмаси або для виливання металів таких як легкі сплави, або для виготовлення деталей для металообробки. Прес-форми для лиття під тиском, як правило, виконують зі сталі, твердість якої близька до 300НВ (одиниць твердості за Бринелем). Однак, коли ці прес-форми використовують для виливання пластмас, наприклад технічних пластмас або термореактивних пластмас, краще використовувати більш тверді сталі, які характеризуються кращою зносостійкістю. У цьому випадку можна використовувати таку сталь як 55 НХМВ 7, яка містить приблизно 0,55% вуглецю, 1,75% нікелю, хром, молібден і ванадій, що дозволяє виготовляти пресформи, твердість яких близька до 400НВ. Ця сталь, однак, має ряд недоліків: її важко обробляти і важко варити. Крім того, у цій сталі часто виникають локальні ліквації, що являють собою тверді вкраплення, які мають погану здатність до полірування або хімічного очищення. Ці два недоліки особливо незручні, тому що виготовлення пресформ вимагає значної обробки і прес-форми зазвичай ремонтують шляхом наплавлення зварюванням і полірування або гранулювання. Крім того, повинна бути підвищена твердість поверхні цих прес-форм, наприклад шляхом нітрування без втрати ними твердості. Для галузей застосування, які пред'являють ще більш жорсткі вимоги, і особливо, коли пластмаси, що відливаються під тиском, включають дуже тверді волокна, краще використовувати ще більш тверді і більш зносостійкі сталі. Одночасно підвищення тиску лиття також призводить до пошуків більш стійких і, отже, більш твердих сталей. Нарешті, для деяких галузей застосування лиття під тиском легких сплавів або холодної, або гарячої металообробки механічні навантаження, що діють на устаткування, та вимоги зносостійкості призводять до необхідності використання сталей з рівнем твердості вище 450НВ. У цьому випадку вдаються до використання сталі з твердістю, близькою до 450 або навіть 500НВ, наприклад сорту AISI Х11 або Х13, які звичайно у використовують у прес-формах для лиття під тиском легких сплавів. Такі сталі приблизно містять: 0,4% вуглецю, 5% хрому, 1,25% молібдену і від 0,3 до 1% ванадію. Але ці сталі у ще більшій мірі мають ті ж недоліки, що і згадана вище 55 НХМФ 7. Поряд з цим, надзвичайно гостро виникає інша проблема, що пов'язана з підвищенням твердості, яка майже неминуче супроводжується зниженням міцності: небезпекою виникнення тріщин між каналами охолодження і шаблонною поверхнею пресформи, яку названі канали повинні ефективно охолоджувати, проходячи відносно близько від цієї поверхні. Мета цього винаходу полягає в усуненні названих недоліків за рахунок запропонованої сталі для прес-форми або для виготовлення деталей для металообробки, які легше зварюються, легше обробляються, поліруються і піддаються гранулюванню, будучи кращими провідниками тепла, чим сталі відомого рівня техніки, і які дозволяють виготовляти прес-форми, або інструменти з твердістю порядку від 450 до 500НВ, у тому числі сталі після операції підвищення поверхневої твердості за допомогою нітрування, що порушує питання про те, щоб необхідні характеристики, зокрема твердість, були сумісні з застосуванням температури вище 530°С. У зв'язку з цим предметом винаходу є сталева заготовка товщиною більше 20мм, яка може доходити до 1500мм, структурою якої є мартенсит або мартенсито-бейніт і твердість якої лежить у межах від 430 до 520НВ в усіх точках, яка призначена для виготовлення деталей для прес-форм або для інструментів і яка має такий хімічний склад, у мас.%: 0,180 С 0,400 Si 0,8 5 77516 Μn 2,5 Ni 3 Cr 3,5 Mo+W/2 2,8 V+Nb/2+Ta/4 0,5 Al 0,4 Ti+Zr/2 0,1 - бор, вміст якого лежить у межах від 0,0005 до 0,015, - можливо один або більше елементів, вибраних із групи, яка містить сірку, селен і телур, сумарний вміст яких менше або дорівнює 0,2, - можливо один або більше елементів, вибраних із групи, яка містить свинець і вісмут, сумарний вміст яких менше або дорівнює 0,2, - можливо кальцій у концентрації нижче або рівній 0,1, у той час як залишок складає залізо і домішки, що потрапляють при обробці, до числа яких належить мідь, причому хімічний склад крім того задовольняє наступним співвідношенням: 3,2 Тr 9 8511 Хімічний склад також переважно такий, що відношення: R 2,7XТr Бажано, щоб вміст кремнію залишався строго нижче 0,45мас.%. Хімічний склад переважно такий, що відношення: R/(2,7хТr) 0,90 і ще краще R/(2,7xTr) 0,80. Хімічний склад переважно такий, що відношення U/Dr 9,0. Крім того, переважно, щоб хімічний склад сталі був такий у мас.%, що: 0,230 С 0,350 Si 0,30 0,1 Μn 1,8 Ni 2,5 0,2 Cr 3 Mo+W/2 2,5 V+Nb/2+Ta/4 0,3 Mo*+3xV* 0,8 6 і ще краще такий, що: 0,240 С 0,320 Si 0,15 Νi 2 0,2 Cr 2,5 0,3 Mo+W/2 2,5 V+Nb/2+Ta/41,2% І, нарешті, переважно, щоб склад був таким, щоб Тr>4,5. Винахід стосується також сталевої деталі прес-форми, яку одержують механічною обробкою заготовки, відповідно до винаходу, твердість, щонайменше, частини поверхні якої підвищена шляхом нітрування і твердість якої в усіх точках має значення від 430 до 530НВ. Перевагою сталі, відповідно до винаходу, є те, що вона має підвищену теплопровідність у порівнянні зі сталями попереднього рівня техніки. Ця підвищена теплопровідність дозволяє передбачати охолоджуючі канали більш віддалені від поверхні прес-форми, ніж того вимагає використання сталей, відповідно до попереднього рівня техніки. Таким чином, небезпека виникнення тріщин між каналами і шаблонною поверхнею прес-форм значно знижується. Крім того, завдяки підвищеній теплопровідності охолодження прес-форми відбувається більш рівномірно, що поліпшує якість лиття. Сталь, відповідно до винаходу, призначена також для виготовлення деталей з наступною їх металообробкою. Далі винахід описується більш детально, але не обмежуючим чином, з використанням в якості ілюстрації прикладів. Виливки для прес-форм або для металообробки виготовляють шляхом механічної обробки цільних загартованих сталевих заготовок з метою одержання мартенситної або мартенситнобейнітноі структури і відпускаються для одержання бажаних властивостей, що стосуються твердості і пластичності. У цьому випадку необхідно використання сталі, яка має підвищену здатність до загартування і значну здатність до підвищення твердості. Але ці сталі, що мають підвищену твердість, повинні мати як можна більш високу здатність до механічної обробки і як можна більш високу теплопровідність. Ця остання властивість є корисною для підвищення продуктивності операцій лиття. Поєднання цих різних властивостей є свідомо суперечливим. Дійсно, відомо, що чим твердіша сталь, тим її важче механічно обробляти, і відома можливість поліпшення оброблюваності шляхом додавання елементів присадки таких як сірка, кальцій, селен, телур або свинець. Але в сталях для прес-форм такі добавки варто обмежувати, тому що, незважаючи на те, що вони прийнятні в тому випадку, коли шаблонна поверхня прес-форм є зернистою, вони завдають шкоди в тому випадку, коли поверхні є полірованими. У будь-якому випадку такі добавки не є задовільними. Відомо також, що теплопровідність сталі і її здатність до загартування змінюються в залежності від складу в протилежних напрямках. Названі вимоги, таким чином, є суперечливими. Однак винахідниками було вперше встановлено, що можна відшукати такі області складу, що дозволили б одержати поєд 7 77516 8 нання властивостей, значно краще у порівнянні з ще краще, менше 0,3. Ці елементи дозволяють властивостями відомих сталей. Ці області складу підвищити стійкість до зниження твердості при визначаються, з одного боку, діапазонами вмісту відпуску, зокрема, коли відпускання проводиться кожного з елементів сполуки і, з іншого боку, допри температурі вище 550°С. Вони дозволяють триманням формул. також підвищити стійкість шаблонів прес-форм до Для одержання такого поєднання властивосзносу. Але в занадто великій кількості вони погіртей сталь повинна містити, у мас %: шують здатність до механічної обробки і зварю- від 0,18 до 0,4 мас % вуглецю для утворення вання; підвищуючих твердість карбідів, у той же час без - від 0,0005 до 0,015 бору. Цей елемент значпогіршення здатності до зварювання, пластичності но збільшує здатність до загартування, не знижуі здатності до механічної обробки; переважно цей ючи теплопровідність. При цьому, оскільки його дія вміст повинен складати від 0,230 до 0,350 мас % і, зникає при підвищених температурах аустенізації, ще краще, від 0,240 до 0,320 мас %; що мають місце при зварюванні, воно сприятливо - менше 0,8, переважно менше 0,30 і, ще кравпливає на підвищення здатності до ремонту шляще, менше 0,15 кремнію. Цей елемент, що звихом зварювання. При вмісті бору нижче 0,0005, що чайно застосовується для розкислення сталі при її є практично межею виявлення за допомогою анавиробництві, створює несприятливий вплив на літичних методів, елемент не має значної дії. При теплопровідність. Однак цей елемент присутній вмісті бору вище 0,015 він є причиною підвищення завжди, щонайменше, у вигляді слідів; крихкості сталі, не збільшуючи її здатності до зага- менше 2,5 марганцю, переважно від 0,1 до ртування; 1,8 і, ще краще, від 0,1 до 1,6, для одержання гар- до 0,4 алюмінію і, можливо, один або більше ної здатності до загартування, у той же час без елементів, вибраних із групи, яка містить титан і сприяння утворенню занадто великої кількості лікцирконій, причому сума Ті+Zr/2 може досягати 0,1. вацій, які б понизили можливість одержання гарноЦі елементи є сильними розкислювачами. Крім го стану поверхні прес-форм. Цей елемент присутого, вони зв'язують азот, який завжди є присутнім, тній завжди, щонайменше, у вигляді слідів. Крім щонайменше, у вигляді домішки в концентраціях того, переважно, щоб його вміст був вище 0,1 для звичайно нижче 0,0250, але які можуть перевищузв'язування сірки, яка завжди присутня у якості вати цю величину. Однак, коли сталь містить бор, домішки. Якщо для поліпшення здатності до мехавміст азоту повинен залишатися нижче 0,0250. нічної обробки додавати деяку кількість сірки, то в Для того, щоб бор цілком виявляв свою дію, бажацьому випадку необхідно передбачати мінімальна присутність щонайменше одного елемента, ний вміст марганцю, який має бути, щонайменше, вибраного з групи, яка містить Ад, Ті і Zr. у 5 разів, переважно у 7 разів, більше вмісту сірки; Для того, щоб алюміній, титан і цирконій, взяті - менше 3 нікелю, переважно менше 2,5 і, ще окремо або в поєднанні двох або трьох елементів, краще, менше 24. Цей елемент дозволяє збільшизахищали бор від азоту і забезпечували йому його ти здатність до загартування, але він дуже дорого повну ефективність, вміст бору, алюмінію, титану, коштує. Він може бути присутнім у вигляді слідів. цирконію й азоту, виражені в тисячних частках Однак у галузях застосування, де потрібна висока мас.%, повинні бути переважно такими, щоб: пластичність і підвищена рівномірність твердості, 1 В хК1 0,5 може виявитися доцільним понизити вміст марга3 нцю на користь нікелю у розрахунку на заміну де К1=Min(I*; J*) двома частинами нікелю однієї частини марганцю. І*=Мах(0; І) і J*=Max(0; J) Ця заміна частини марганцю нікелем має також ту І=Min(N; N-0,29(Ті+Zr/2-5)) перевагу, що вона зменшує ліквації; - менше 3,5 хрому, переважно від 0,2 до 3 і, J Min N; 0,5 N 0,5AI N 0,5AI 2 283 . ще краще, від 0,2 до 2,5. Цей елемент дозволяє збільшити здатність до загартування, але в занад- Мідь може існувати у вигляді слідів або дото великій кількості він виявляє тенденцію до збамішки при її вмісті близько 0,3. гачення карбідів хромом за рахунок інших, у біль- Можливо, один або більше елементів, вибшій мірі підходящих елементів, таких як молібден, раних із групи, яка містить сірку, селен і телур, у вольфрам, ванадій, ніобій і тантал. Цей елемент малій кількості, причому сума вмістів цих елеменможе бути присутнім у вигляді слідів; тів повинна залишатися нижче 0,2. Однак у тому - молібден і/або вольфрам у таких кількостях, випадку, коли сталь призначена для виготовлення щоб сума Mo*=Mo+W/2 була менше 2,8, бажано прес-форм, поверхня яких відполірована і піддана менше 2,5. Переважно також, щоб ця сума була хімічному зернінню, сума вмістів названих елеменбільше 0,3. Ці елементи крім того сильно сприяють тів повинна бути нижче 0,025 або, ще краще, нижзагартуванню, значно зменшуючи зниження тверче 0,005. дості при відпусканні, що, зокрема, є бажаним, - Можливо, один або більше елементів, вибколи шаблони прес-форм піддають поверхневій раних із групи, яка містить свинець і вісмут, приобробці, такій як нітрування, при температурах, чому сума вмістів цих елементів повинна залишащонайменше, 500°С. Однак у занадто великій кітися нижче 0,2. Однак у тому випадку, коли сталь лькості вони погіршують здатність до механічної призначена для виготовлення прес-форм, поверхобробки; ня яких відполірована і піддана хімічному зернін- щонайменше, один елемент, вибраний із груню, переважно щоб сталь не містила цих елеменпи, що містить ванадій, ніобій і тантал, у такій кільтів. кості, щоб сума V*=V+Nb/2+Та/4 була менше 0,5 і, -- Можливо, кальцій у концентрації нижче 0,1. 9 77516 10 Однак у тому випадку, коли сталь призначена для Mo*+3xV* повинно бути вище 0,8. виготовлення прес-форм, поверхня яких відполіКоли сталь відповідає ще кращому складу: рована і піддана хімічному зернінню, переважно, 0,240 С 0,320 щоб сталь не містила цього елемента, тому що Si 0,15% його позитивна дія у відношенні механічної оброб0,1 Μn