Виріб з безпористої мартенситно-старіючої сталі та спосіб його виготовлення

1. Виріб з безпористої мартенситно-старіючої сталі, одержаний методом порошкової металургії з попередньо легованого порошку, який містить: до 0,08 мас. % С, до 1,0 мас. % Мn, до 1,0 мас. % Si, 2,5-6,0 мас. % Сr, 6,0-10,0 мас. % Мо, 1,04,0мас. % Ni, 9,0-14,0 мас. % Со, до 0,3 мас. % сірки та решту, куди входить залізо та неминучі елементи і домішки, при цьому виріб має твердість менше ніж 40 HCR для забезпечення обробності, і після відпуску виріб має твердість більш ніж 45 HRC. 2. Виріб за п. 1, який відрізняється тим, що він містить до 0,05 мас. % С, 0,1-0,05 мас. % Мn, 0,010,5 мас. % Si, 4-5,75 мас. % Сr, 7-9 мас. % Мо, 1,53 мас. % Ni, 10-13 мас. % Co, 0,005-0,05 мас. % S та решту, куди входить залізо та неминучі елементи і домішки. 3. Виріб за п. 1, який відрізняється тим, що він містить 0,01-0,04 мас. % С, 0,2-0,4 мас. % Мn, 0,15-0,4 мас. % Si, 4,7-5,3 мас. % Сr, 7,5-8,5 мас. % Мо, 1,7-2,3 мас. % Ni, 10,75-12 мас. % Co, 0,010,03 мас. % S та решту, куди входять залізо та неминучі елементи і домішки. 2 (19) 1 3 Винахід відноситься до виготовлення виробу з безпористої мартенситно-старіючої сталі із спеціальної композиції з використанням способу обробки порошкової металургії. Сталь, одержана згідно з цим винаходом, або за умови як при гарячому ізостатичному пресуванні або за умови гарячого ізостатичного пресування та умови гарячої обробки, є придатною до застосувань, у яких присутні високі температури або циклічне нагрівання та охолодження. Сталевий виріб винаходу має твердість менше ніж 40 HRC (твердість по шкалі С Роквела) після виготовлення і після гарячої обробки, надаючи можливість його обробляти. Однак, після виготовлення виробу та наступного відпуску його твердість становить більше ніж 45 HRC. Застосування для сталевого виробу винаходу включають обробку пластиків або рідких або гарячих твердих металів, який включає, проте не обмежується, формами для лиття під тиском рідких металів, формами для лиття пластмас, формами для кування інших металів та формами для екструдування. Циклічне нагрівання та охолодження інструментів для цих застосувань характеризує їх. Це циклічне нагрівання та охолодження створює в інструменті достатні напруження для спричинення розтріскування при термічній утомі, також відомого як терморозтріскування. Різні застосування можуть допускати різні величини терморозтріскування. Для деяких продуктів, що вимагають косметичного зовнішнього вигляду високої якості, - форми для лиття можуть замінятися після появи незначних термотріщин. Для інших продуктів, що можуть не вимагати цього косметичного зовнішнього вигляду високої якості, форми для лиття можуть використовуватися навіть з сильним терморозтріскуванням. В усіх випадках, більшість форм для лиття з часом псується і заміняється внаслідок розтріскування при термічній утомі. Існуючі інструментальні сталі для гарячої обробки можуть бути придатними для продуктів з менш суворими вимогами до косметичного вигляду або коротшими циклами експлуатації. Однак, для продукту з високою вимогою до косметичного вигляду існує потреба в інструменті з більшим терміном експлуатації для задоволення вимог виробництва. Інструменти використовуються в декількох застосуваннях, які включають обробку гарячого металу. Цей метал може бути у рідкій формі, як при литті у форму, або у твердій формі, як при гарячій екструзії та гарячому штампуванні. Термін корисного використання усіх цих інструментальних матеріалів типово обмежений розтріскуванням при термічній утомі. Тобто, в ході процесу на поверхні інструмента з'являються більші термоутомні тріщини, а існуючі термоутомні тріщини збільшуються. Форма для лиття замінюється, коли ступінь розтріскування при термічній утомі робить одержану деталь неприйнятної якості. Вимоги до сталі, використовуваної для високотемпературних застосувань, включають: Матеріал повинен мати здатність до термообробки з набуттям твердості, більшої ніж 45 HRC, що є типовою мінімальною робочою твердістю для 89842 4 більшості інструментів попереднього рівня техніки для збереження форми. Матеріал повинен також мати гарну термостійкість. Втомлене розтріскування відноситься до міцності матеріалу. Тому, краща міцність є одним фактором, що може покращити стійкість до розтріскування при термічній утомі. Внаслідок експлуатації форми для лиття, яка піддається впливу високих температур, може відбуватися розм'якшення її матеріалу. Це розм'якшення матеріалу також зменшує міцність матеріалу, роблячи його більш чутливим до розтріскування при термічній утомі. Тому, матеріал інструменту повинен мати гарну стійкість до розм'якшення, також відому як опір відпуску. Багато з інструментів, використовуваних у вищезгаданих операціях, виходять з ладу внаслідок присутності термоутомних тріщин. Термоутомні тріщини мають характеристики, подібні з традиційним утомним розтріскуванням. Однак, у випадку розтріскування при термічній утомі, напруження вносяться в інструмент циклічним нагріванням та охолодженням. Тому, важливо, щоб матеріал для такого інструмента мав гарну стійкість до розтріскування при термічній утомі. Теплове розширення інструмента під час циклу нагрівання та охолодження створює в ньому напруження. Тому, матеріал повинен мати якомога менший коефіцієнт теплового розширення або як мінімум менший за коефіцієнт використовуваних в даний час матеріалів. Багато інструментів покривають для захисту від ерозії. Тому, матеріал форми для лиття повинен бути придатним до покривання шляхом PVD (осадженням з парової фази) або іншим відповідним способом покривання. Хоча деякі застосування можуть використовувати винахід при умові AS-HIP (як при гарячому ізостатичному пресуванні), більшість застосувань будуть вимагати гарячої обробки матеріалу на менших ділянках, прийнятних для споживача. Тому, матеріал повинен мати гарну здатність до гарячої обробки. На даний момент для гарячої обробки використовуються декілька матеріалів. Для цих застосувань були розроблені інструментальні сталі серії Н, серед яких найбільш вживаними є інструментальні сталі для гарячої обробки типу 5Сr. Сюди входять сталі, відомі в США як Н13 та Н11. Сталь класу Н13 номінально містить 0,38мас.% вуглецю, 5,25мас.% хрому, 1,25мас.% молібдену, 1,0мас.% кремнію та 1,0мас.% ванадію. Сталь класу Н11 є по суті сталлю класу Н13, проте з 0,5мас.% ванадію. Для більш інтенсивних застосувань, сталі класу Н11 або Н13 типово обробляються з використанням способів електрошлакового переплавлення (ЕШП) або вакуумного дугового переплавлення (ВДП). Також використовувались декілька варіантів цих інструментальних сталей типу 5Сr. Серед найбільш значущих є сталі класу Н11 з меншим вмістом кремнію для забезпечення більшої ударної в'язкості. Іншою є сталь Н11 з нижчим вмістом кремнію та доданим молібденом для покращення опору відпуску. Таблиця 1 показує номінальні хімі 5 89842 чні склади деяких стандартних та деяких нестансталей. дартних доступних на ринку інструментальних 6 Таблиця 1 Номінальний Хімічний Склад (мас.%) Вибраних Стандартних та Нестандартних Інструментальних Сталей для Гарячої Обробки Назва сплаву Н10 Н10А Н11 Н13 Н19 Com. 1 Com. 2 Com. 3 1.2367 Com. 4 С 0,32 0,32 0,40 0,40 0,45 0,36 0,36 0,36 0,38 0,38 Si 0,25 0,25 1,00 1,00 0,40 0,20 0,20 0,20 0,40 0,20 Mn 0,30 0,30 0,25 0,40 0,40 0,50 0,50 0,40 0,40 0,25 Cr 3,00 3,00 5,30 5,30 4,50 5,25 5,00 5,20 5,00 5,00 Серед інших матеріалів, які використовувались в минулому для гарячої обробки, є мартенситно-старіючі сталі. Більшість з них містить приблизно 18% нікелю і деяку кількість титану, і набувають твердості осадженням частинок Ni-Mo та Ni-Ti. Для багатьох з цих сталей старіння здійс Mo 2,80 2,80 1,60 1,40 3,00 1,65 2,35 1,95 3,00 3,00 V 0,50 0,50 0,40 1,00 2,00 0,50 0,60 0,60 0,60 0,60 Co 3,00 4,50 Fe Решта Решта Решта Решта Решта Решта Решта Решта Решта Решта нюють з використанням відносно низької температури, типово менше ніж 1000°F(537,8°C), яка може обмежувати придатність матеріалу при підданні дії високих температур. Таблиця 2 показує номінальні хімічні склади деяких доступних на ринку мартенситно-старіючих сталей. Таблиця 2 Номінальний Хімічний Склад (мас.%) Вибраних Мартенситно-Старіючих Сталей Сплав Соm.1 Com. 2 Com. 3 Com. 4 С 0,008 0,02 0,02 0,02 SI 0,15 0,04 0,05 Μn 0,05 0,03 0,03 Ni 17, 18, 18, 12, Cr 0,10 0,05 0,10 В минулому були розроблені деякі традиційні мартенситно-старіючі сталі з гарним опором термічній утомі та міцністю при термічній утомі, проте при одержанні традиційними способами проявляють слабку здатність до гарячої обробки під час обробки від стадії одержання болванки до набуття остаточної форми. Ця слабка здатність до гарячої обробки призводить або до остаточного продукту з дефектами або до недостатнього виходу (менше Mo 4,90 4,80 4,90 8,00 Co 11,00 7,50 9,00 8,00 Cu 0,20 ТІ 0,13 0,40 0,60 0,50 ΑΙ 0,1 0,1 0,0 B 0,003 0,003 0,003 ніж 50%) із стадії одержання болванки до кінцевої стадії для надання продукту комерційного виду. Винахід надає новий виріб із матенситностаріючої сталі, одержаний порошковою металургією, який використовується як інструмент для високотемпературних застосувань, що задовільняє вищезгадані вимоги. Виріб не має пор і виготовлений з попередньо легованого порошку. Таблиця 3 Інтервали Хімчіного Складу (мас.%) для Сплаву Винаходу С Μn Si Cr Mo Ni Широкий 0,00-0,08 0,00-1,00 0,00-1,00 2,50-6,00 6,00-10,00 1,00-4,00 інтервал Переважний 0,00-0,05 0,10-0,050 0,010-0,50 4,00-5,75 7,00-9,00 1,50-3,00 інтервал Більш переважний інтер- 0,01-0,04 0,20-0,40 0,15-0,40 4,70-5,307,50-8,50 1,70-2,30 вал Тверднення матеріалу здійснюється гартуванням у розчині та підданям старінню, тобто нагріванню при наперед визначеній температурі протягом наперед визначеного періоду часу. Це дозволяє формування малих частинок добавки, які Co S 9,00-14,00 0,00-0,30 10,00-13,00 0,005-0,05 10,75-12,00 0,01-0,03 у свою чергу здійснюють тверднення низьковуглецевої мартенситної структури матеріалу. Надалі буде пояснюватися важливість окремих легуючих елементів та їх взаємодії. Усі відсот 7 89842 8 ки, пов'язані з хімічним складом в описі та формулі Експерименти проводилися для визначення винаходу, є масовими. різних властивостей, які вважалися важливими Молібден є ключовим елементом у наданні мідля успішної експлуатації виробу із сплаву винацності цій мартенситно-старіючої сталі, як добавходу. Сюди входить дослідження на міцність при ка, що відповідає за тверднення сплаву Fe2Mo. Він швидкому розтягу як міри здатності до гарячої обтакож є ключовим елементом в підвищенні опору робки, розтріскування при термічній утомі, опір відпуску сплаву. Надлишкові кількості молібдену відпуску, дослідження на міцність при швидкому можуть дозволяти формування шкідливого дельрозтягу при кімнатній температурі і при температа-фериту. турі 1000°F(537,8°C), вимірювання коефіцієнта Кобальт потребується в належній кількості для теплового розширення та дослідження покриття. перешкоджання появі небажаних фаз та для вплиНаступне є складом сталі винаходу (мас.%) та ву на процес старіння. Кобальт є елементом, який складу сталі Н13 (мас.%) дослідницьких зразків: формує аустеніт, у той же час запобігаючи формуванню дельта-фериту при високих температурах, і Елемент Мартенситно-старіючий сплав ESRH13 має мінімальний вплив на температуру перетвоС 0,019 0,40 рення аустеніту на мартенсит. Кобальт також зниS 0,011 0,002 жує розчинність молібдену в мартенситній матриΜn 0,32 0,27 ці, таким чином роблячи молібден більш Si 0,27 1,05 доступним для осадження. Сr 4,92 5,46 Хром є бажаним в деякій кількості для стійкосKо 7,87 1,22 ті високотемпературному окисленню. Хром в надV