изделие из быстрорежущей стали с высокой термостойкостью

Формула изобретения

1. Изделие из быстрорежущей стали с высокой термостойкостью и вязкостью, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, железо, изготовленное способом порошковой металлургии, включающим распыление газом стального расплава и горячее изостатическое прессование порошка, отличающееся тем, что при изготовлении изделия, в частности режущего инструмента, распыление расплава осуществляют азотом, а после горячего изостатического прессования, при необходимости, проводят горячую деформацию, при этом получают изделие из стали следующего состава, мас.%:

Углерод 1,51-2,5

Кремний До 0,8

Марганец До 1,5

Хром 3,5-4,5

Вольфрам 13,3-15,3

Молибден 2,0-3,0

Ванадий 4,5-6,9

Кобальт 10,05-12,0

Сера До 0,52

Азот До 0,2

Кислород Макс. 0,01

Сопутствующие элементы, технологические примеси и железо Остальное

причем разность содержаний марганца и серы (Mn-S) составляет не менее 0,19, отношение содержаний вольфрама и молибдена составляет 5,2-6,5, а содержание кобальта составляет не более 70% от значения суммарного содержания вольфрама и молибдена и при содержании неметаллических включений в соответствии со значением КО не более 3 согласно DIN 50602.

2. Изделие по п.1, отличающееся тем, что оно изготовлено из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод 1,75-2,38

Кремний 0,35-0,75

Марганец 0,28-0,54

Хром 3,56-4,25

Вольфрам 13,90-14,95

Молибден 2,10-2,89

Ванадий 4,65-5,95

Кобальт 10,55-11,64

Сера До 0,52

Азот 0,018-0,195

Кислород Макс. 0,01

Сопутствующие элементы

Технологические примеси и железо Остальное

3. Изделие по п.1, отличающееся тем, что оно изготовлено из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод 1,69-2,29

Кремний 0,20-0,60

Марганец 0,20-0,40

Хром 3,59-4,19

Вольфрам 13,60-14,60

Молибден 2,01-2,80

Ванадий 4,55-5,45

Кобальт 10,40-11,50

Сера До 0,52

Азот 0,02-0,1

Кислород Макс. 0,009

Сопутствующие элементы

Технологические примеси и железо Остальное

4. Изделие по п.1, отличающееся тем, что оно предназначено для высокоскоростного резания без смазочных средств деталей, в частности из легких металлов и их сплавов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к изделию из быстрорежущей стали с высокой термостойкостью и вязкостью, изготовленному способом порошковой металлургии путем разделения потока жидкого металла сплава азотом в металлический порошок и прессования порошка при высокой температуре и давлении со всех сторон и, при необходимости, подвергнутому горячей деформации.

Высокопроизводительные быстрорежущие стали включают в себя сплавы с содержанием углерода около 0,8-1,0 мас.%, вольфрама около 14-18 мас.%, хрома около 4,5 мас.%, молибдена до 2 мас.%, молибдена, по меньшей мере, 1,2-1,5 мас. %, ванадия, по меньшей мере, 1,2-1,5 мас.%, кобальта 3-20 мас.%, остальное железо. Причина достигаемой этими быстрорежущими сталями высокой производительности лежит во взаимодействии элементов с сильной карбидообразующей способностью, таких как ванадий, вольфрам, молибден и хром, с элементом кобальт, действующим через основную массу или матрицу. Помимо вольфрама и молибдена, в частности, ванадий пригоден для придания сплаву высокой стойкости против отпуска вплоть до температуры около 600^oС. При одновременно высоком содержании углерода и ванадия образуется также большое количество карбидов ванадия, придающих материалу особую износостойкость. Поэтому инструменты, в особенности инструменты для окончательной обработки изготовляют из быстрорежущих сталей, имеющих повышенное содержание углерода и ванадия. Методом пирометаллургии или техникой плавки с затвердеванием в литейных формах представляется достижимой возможность экономичного получения сплава с химическим составом в мас. % 1,3-1,5 С, около 13 W, 4 Cr, 1 Мо, 8-12 Со и около 4,5 V, остальное железо, однако уже этот материал из-за высокого содержания карбидов и структуры затвердевания в узком интервале температур ковки трудно деформировать, и он имеет низкие значения вязкости, в частности небольшую ударную вязкость в термически улучшенном состоянии.

Для того, чтобы, с одной стороны, еще больше повысить содержание углерода и концентрацию карбидообразующих элементов в отношении увеличения доли карбидов и тем самым износостойкость материала, а, с другой стороны, достичь достаточной обрабатываемости и однородности изготовленного из него изделия, предпочтительным является изготовление подобным образом легированных деталей способом порошковой металлургии.

Способ порошковой металлургии включает в себя, в основном, распыление стального расплава в металлический порошок, размещение металлического порошка в капсуле и его уплотнение, закупоривание капсулы, а также нагрев и горячее изостатическое прессование порошка в капсуле с получением плотного однородного материала.

Этот полученный способом порошковой металлургии материал после соответствующей термообработки можно применять для изготовления изделий или предварительно подвергнуть горячей деформации, например посредством ковки.

Высоконагружаемые изделия из быстрорежущей стали, в частности режущие инструменты высокой стойкости, требуют для экономичной обработки деталей сочетания многих свойств с высокими параметрами.

В основе изобретения лежит задача создания изделия из быстрорежущей стали, преимущественно высокопроизводительного режущего инструмента, имеющего высокую степень оксидной чистоты, тем самым низкий потенциал инициирования трещин и повышенную степень остроты режущих кромок, а также высокую твердость при надлежащей вязкости, высокую износостойкость в термически улучшенном состоянии материала и большую твердость при повышенной температуре или высокую термостойкость.

Другой целью изобретения является создание изделия из быстрорежущей стали для использования в качестве инструмента для высокоскоростного резания материалов без добавления смазочных средств, в частности для обработки резанием легких металлов и подобных сплавов.

Эта задача решается согласно изобретению в изделии из быстрорежущей стали с высокой термостойкостью и вязкостью, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, железо, изготовленном способом порошковой металлургии, включающим распыление газом стального расплава и горячее изостатическое прессование порошка, за счет того, что при изготовлении изделия, в частности режущего инструмента, распыление расплава осуществляют азотом, а после горячего изостатического прессования, при необходимости, проводят горячую деформацию, при этом получают изделие из стали следующего состава, мас. %: углерод 1,51-2,5, кремний до 0,8, марганец до 1,5, хром 3,5-4,5, вольфрам 13,3-15,3, молибден 2,0-3,0, ванадий 4,5-6,9, кобальт 10,05-12,0, сера до 0,52, азот до 0,2, кислород макс. 0,01, сопутствующие элементы, технологические примеси и железо - остальное, причем разность содержаний марганца и серы (Mn-S) составляет не менее 0,19, отношение содержаний вольфрама и молибдена составляет 5,2-6,5, содержание кобальта составляет не более 70% от значения суммарного содержания вольфрама и молибдена и при содержании неметаллических включений в соответствии с значением КО не более 3 согласно DIN 50602.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изделия оно может быть изготовлено из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод 1,75-2,38, кремний 0,35-0,75, марганец 0,28-0,54, хром 3,56-4,25, вольфрам 13,90-14,95, молибден 2,10-2,89, ванадий 4,65-5,95, кобальт 10,55-11,64, сера до 0,52, азот 0,018-0,195, кислород макс. 0,01, сопутствующие элементы, технологические примеси и железо - остальное.

Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения изделия оно может быть изготовлено из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 1,69-2,29, кремний 0,20-0,60, марганец 0,20-0,40, хром 3,59-4,19, вольфрам 13,60-14,60, молибден 2,01-2,80, ванадий 4,55-5,45, кобальт 10,40-11,50, сера до 0,52, азот 0,02-0,1, кислород макс. 0,009, сопутствующие элементы, технологические примеси и железо - остальное.

Изделие, полученное из стали по пункту 1, предназначено для высокоскоростного резания без смазочных средств деталей, в частности, из легких металлов и их сплавов.

Достигаемые изделием согласно изобретению преимущества следует рассматривать в качестве суммарного действия в отношении улучшения свойств материала, по аналогии с цепью, несущая способность которой определяется прочностью своего самого слабого звена. Оксидные включения являются наиболее критическими местами в большинстве случаев острокромочных структур и представляют собой, как было установлено, начиная с критической величины, исходную точку для возникновения трещин в улучшенном до высокой твердости материале при переменном, в случае необходимости, напряженном состоянии в нем. Поскольку в матрице с высокой твердостью при повышенной температуре или термостойкостью инициирование трещин грубыми оксидами в материале возрастает сверхпропорционально, однако, как оказалось, включения небольшого диаметра и малой продольной протяженности малоэффективны, поэтому согласно изобретению был признан важным суммарный показатель КО=3 при испытании на неметаллические включения согласно DIN 50602. Этот показатель характеризует материал наивысшей чистоты.

Высокий профиль свойств сплава согласно изобретению возникает синергетически из взаимодействия элементов в их соответствующей активности. При этом существенным является то, что в быстрорежущей стали значения концентраций таких элементов, как углерод, хром, вольфрам, молибден, ванадий и кобальт лежат в узких пределах, а содержание кислорода не превышает максимального значения. Содержание углерода следует рассматривать в свете высокого сродства с ним элементов вольфрам, молибден и ванадий. Вышеприведенные легирующие металлы образуют стабильные первичные карбиды, а вторичные карбиды содержатся однако в матричных смешанных кристаллах даже после взаимодействия и соответствующей активности.

Если содержание углерода превышает значение 2,5 мас.%, то возникает заметное охрупчивание быстрорежущей стали, что может привести к непригодности изделия, например режущего инструмента. Содержание менее 1,51 мас.% уменьшает долю карбидов и решающим образом снижает износостойкость материала. Согласно изобретению содержание углерода в сплаве составляет 1,51-2,5 маc.%.

Содержание хрома с максимальным значением 4,5 мас.% обосновано тем, что более высокое содержание приводит к доле хрома в матрице, которая оказывает стабилизирующее действие на содержание остаточного аустенита при закалке. Вплоть до минимального значения хрома 3,5 мас.% за счет включения легирующих атомов в смешанном кристалле происходит их желаемое упрочнение, так что, согласно изобретению, в материале предусмотрено содержание в пределах 3,5-4,5 мас.%.

Вольфрам и молибден имеют высокое сродство с углеродом, образуют почти одинаковые карбиды и, по многократно высказанному мнению специалистов, могут быть на основе соответствующего атомного веса заменены по массовому содержанию в отношении 2:1. Неожиданным образом было обнаружено, что эта заменяемость несовершенна, а посредством соответствующей активности этих легирующих элементов можно управлять образованием смешанных карбидов и долями элементов в смешанном кристалле, о чем при пояснении термостойкости быстрорежущей стали более подробно будет сказано ниже.

Ванадий является одним из сильнейших монокарбидообразующих элементов, карбиды которого отличаются высокой твердостью и обуславливают особую износостойкость материала. Износостойкости способствуют тонкая структура и, в основном, однородное распределение монокарбидов, достигаемое получением материала способом порошковой металлургии. В частности, ванадий, однако также элементы вольфрам и молибден, следует при высоких температурах перевести частично в раствор, что после форсированного охлаждения изделия дает существенный потенциал вторичной твердости за счет выделения тонкодиспергированных, богатых ванадием вторичных карбидов, посредством обработки отпуском и оказывает действие на термостойкость материала. Более высокое, чем 6,9 мас.%, содержание ванадия обуславливает либо более высокое содержание углерода в сплаве, из-за чего он охрупчивается, либо происходит обеднение и снижение прочности, в частности снижение термостойкости матрицы. Содержание ванадия менее 4,5 мас.% приводит к заметному ухудшению характеристики износа улучшенной детали.

Кобальт не является в быстрорежущей стали карбидообразующим элементом, однако упрочняет матрицу и существенно способствует термостойкости изделия. Высокое содержание кобальта свыше 12,0 мас.% в данной быстрорежущей стали оказывает охрупчивающее действие на основную массу материала, а содержание менее 10,05 мас.% вызывает заметное снижение твердости матрицы при повышенной температуре.

Кобальт в предусмотренных, согласно изобретению, пределах от 10,05 до 12,0 мас.% вызывает из-за высокого коэффициента диффузии то, что при отпуске закаленной детали вследствие усиленного зародышеобразования облегчаются диффузионные процессы и в большом количестве возникают тонкодиспергированные выделения вторичных карбидов, при этом они медленно укрупняются и предпочтительно воздействуют на прочность матрицы, в частности при высокой температуре.

Тонкие вторичные карбиды, придающие материалу в улучшенном состоянии высокие твердость и прочность, за счет диффузионных процессов при высоких температурах увеличиваются, и происходит коагуляция. За счет высокого содержания вольфрама в сплаве и последовательным образом во вторичных карбидах из-за величины атомов вольфрама возникает меньший коэффициент диффузии по сравнению с элементами молибден и ванадий, так что происходят существенно меньшее укрупнение и стабилизация системы при высокой температуре даже у смешанных карбидов. Доля вольфрама, согласно изобретению, от 13,3 до 15,3 мас. % гарантирует при заданном содержании других элементов с сильной карбидообразующей способностью на длительный срок небольшую склонность к укрупнению вторичных карбидов при повышенных температурах и тем самым меньшее расстояние между карбидными частицами, что блокирует дислокации в матричной решетке и отсрочивает размягчение материала. Материал даже при высоких термических нагрузках остается твердым более длительное время, т.е. обладает повышенной термостойкостью.

Молибдену при кинетике реакции или образовании смешанных карбидов придается существенное значение, причем содержание от 2,0 до 3,0 считается, согласно изобретению, эффективным.

В отношении количества неметаллических включений и профиля свойств материала при нагрузках предусмотрено максимальное содержание кислорода 0,01 мас.%.

Существенное значение для высокой термостойкости улучшенного материала имеет соотношение содержания вольфрама и молибдена и согласованное с этими элементами содержание кобальта. При значениях соотношения содержания вольфрама к содержанию молибдена 5,2-6,5 скорость укрупнения частиц вторичных карбидов и тем самым снижение твердости материала при высокой температуре снижается, причем меньшее, чем 70%, содержание кобальта, измеренное по содержанию вольфрам + молибден, вызывает увеличение центров зародышеобразования для образования вторичных карбидов и за счет этого способствует их тонкодисперсному распределению, что, в целом, гарантирует высокую термостойкость изделия из быстрорежущей стали.

Кремний в сплаве оказывает, правда, упрочняющее действие на смешанные кристаллы, а также раскисляющее действие, однако для закаливаемости материала его содержание не должно превышать 0,8 мас.%.

Марганец может, правда, влиять на характеристику твердости материала, однако его следует рассматривать преимущественно совместно с содержанием серы, причем серу и марганец вследствие образования сульфидного включения следует рассматривать в качестве улучшающих обработку стали элементов. При преимущественно низком содержании марганца в стали не должно превышаться значение марганец минус сера 0,19, поскольку из-за этого могут возникнуть проблемы при горячей деформации и ухудшиться свойства материала при высоких температурах применения.

Азот вследствие образования труднорастворимых при высоких температурах карбонитридов в материале, согласно изобретению, может оказывать благоприятное действие на повышение термостойкости, однако во избежание проблем в получении должен быть добавлен только в количестве до 0,2 мас.%.

Для дальнейшего улучшения потребительских свойств быстрорежущей стали, согласно предпочтительному выполнению, она, если взять за основу вышеприведенный состав, может содержать один или несколько элементов со следующими значениями содержания компонентов, мас.%:

С - 1,75-2,38

Si - 0,35-0,75

Mn - 0,28-0,54

Cr - 3,56-4,25

W - 13,90-14,95

Мо - 2,10-2,89

V - 4,65-5,95

Со - 10,55-11,64

N - 0,018-0,195

При таком специфичном в отношении элементов ограничении химического состава можно особенно улучшить отдельные свойства материала.

Дальнейшее сужение диапазона содержания легирующих компонентов может быть предпочтительно полезным для целенаправленного ориентирования материала на особые случаи применения, причем изделие, основанное на упомянутом первым составе, содержит один или несколько элементов со следующим составом, мас.%:

С - 1,69-2,29

Si - 0,20-0,60

Mn - 0,20-0,40

Cr - 3,59-4,19

W - 13,60-14,60

Мо - 2,01-2,80

V - 4,55-5,45

Со - 10,40-11,50

N - 0,02-0,1

О - Макс. 0,009

Другая цель изобретения достигается за счет использования режущего инструмента из быстрорежущей стали с высокой термостойкостью и вязкостью, который изготовлен способом порошковой металлургии путем разделения потока жидкого металла сплава азотом в металлический порошок и прессования порошка при высокой температуре и давлении со всех сторон и, при необходимости, подвергнут горячей деформации, имеет высокую степень чистоты с содержанием и конфигурацией неметаллических включений в соответствии со значением КО самое большее 3, согласно испытанию по DIN 50602 и имеет следующий химический состав, мас.%:

С - 1,51-2,5

Si - До 0,8

Мn - До 1,5

Cr - 3,5-4,5

W - 13,3-15,3

Мо - 2,0-3,0

V - 4,5-6,9

Со - 10,05-12,0

S - До 0,52

N - До 0,3

О - Макс. 0,01

со значением: марганец минус сера (Mn-S), по меньшей мере, 0,19, железо, а остальное обусловленные процессом примеси и сопутствующие элементы, с условием, что отношение содержания вольфрама и молибдена составляет 5,2-6,5, и, что содержание кобальта составляет самое большее 70% от значения вольфрам + молибден, для высокоскоростного резания без смазочных средств деталей, в частности из легкого металла и подобных сплавов. При подобных требованиях оказалось, что особенно большое повышение стойкости в затрудненных условиях может быть достигнуто за счет использования инструментов, согласно изобретению, что, в частности, может принести экономические выгоды при обработке резанием.

Изобретение более подробно поясняется с помощью сравнительных испытаний.

В таблице приведены химический состав изделия из быстрорежущей стали, согласно изобретению, и химический состав сопоставимых материалов.

На фиг. 1 изображены кривые отпуска материалов. Геометрия образцов и условия термообработки были следующие:

- геометрия образцов: полушайбы r 30х10 мм;

- аустенитизация в вакууме при 1210^oС;

- резкое охлаждение в потоке азота;

- отпуск: 3х2 ч.

На фиг. 2 в качестве сравнения изображен предел прочности к разрушению при изгибе материалов во время испытания на 4-точечный изгиб при следующих данных образцов.

Испытание проводилось в соответствии с изображенными на фиг.2 и приведенными ниже условиями:

- геометрия образца: круглый образец r 5,0 мм;

- закалка в вакууме при 1210^oС;

- отпуск: 3х2 ч.

На фиг. 3 изображена характеристика твердости материалов при повышенной температуре 650^oС в логарифмической зависимости от времени, причем все образцы имели приблизительно одинаковую исходную твердость 67-68 HRC. Испытание на твердость при повышенной температуре проводилось динамическим способом, разработанным в Центре материаловедения в г.Леобен ("Zeitschrift fur Metallkunde" 90 (1999) 8, 637).

Из сравнения результатов испытаний можно видеть, что кривые твердости и отпуска (фиг.1) различных материалов лежат вплотную друг к другу и, что при температуре отпуска свыше 570^oС сплав 1 дает наивысшие значения твердости.

Хотя материал, согласно изобретению, имеет наивысшую вязкость при изгибе (фиг.2), отличия от сопоставимых материалов выражены несущественно.

При сравнении твердости быстрорежущих стальных материалов при повышенной температуре (фиг. 3) заметно значительное превосходство изделия с составом, согласно изобретению.

Эта высокая твердость при повышенной температуре и особая степень оксидной чистоты материала вызывают то, что при практическом применении при высокоскоростной сухой обработке прерывистым резанием отливок из алюминиево-кремниевого сплава была установлена стойкость режущего инструмента на 38% выше, причем износ объяснялся главным образом увеличенными скоплениями кремния в Al-Si-сплавах.