(12) Oversettelse av europeisk patentskrift

Transkript

1 (12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. C22C 38/02 (06.01) C22C 38/04 (06.01) C22C 38/60 (06.01) Patentstyret (21) Oversettelse publisert (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet (86) Europeisk søknadsnr (86) Europeisk innleveringsdag (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato () Prioritet , SE, (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR (73) Innehaver Sandvik Intellectual Property AB, Sandviken, Sverige (72) Oppfinner SANDSTRÖM, Mattias, Manhemsgatan 19A, S Skellefteå, Sverige TROGEN, Ylva, Älgstigen 1F, S Sandviken, Sverige KARLSSON, Lars, Hillmanskroken 8A, Gävle, Sverige (74) Fullmektig Bryn Aarflot AS, Postboks 449 Sentrum, 04 OSLO, Norge (4) Benevnelse Blyfritt automatstål og dets anvendelse (6) Anførte publikasjoner EP-A EP-A EP-A EP-A EP-A JP-A JP-A JP-A JP-A US-A US-A US-A US-A PATENT ABSTRACTS OF JAPAN & JP A (SUMITOMO METAL IND LTD) 08 July 1997

2 1 Blyfritt automatstål og dets anvendelse Beskrivelse Foreliggende oppfinnelse vedrører et blyfritt stål og anvendelse av dette. Mer spesifikt vedrører den et automatstål som er fritt for bly og har god herdbarhet, bearbeidbarhet og slitasjebestandighet. 1 Bakgrunn Det finnes en rekke forskjellige anvendelser for automatstål. Eksempler på anvendelser er i målesonder og -instrumenter, som bildeler (slik som drivstoffinnsprøytingssystemer og presisjonsventiler for ABS-bremser) og som klokkedeler, som alle er eksempler på anvendelser som tilvirkes av og/eller anvender metalltråder. De nevnte anvendelsene benytter alle tråder eller stenger med små dimensjoner. Dette kan også gjøre det nødvendig å anvende lave skjærehastigheter under tilvirkning av en komponent som følge av begrensninger i maskineringsutstyret som anvendes. I denne sammenhengen anses små dimensjoner som tråddiametre mindre enn 1 mm. Anvendelsene nevnt over krever i alminnelighet at egenskapene bearbeidbarhet, herdbarhet og slitasjebestandighet optimaliseres samtidig. I noen tilfeller kan også korrosjonsegenskapene, dvs. tendensen til dannelse av rust, under lagring og/eller tilvirkning av en komponent av stålet være av viktighet. 2 Automatstål i utstrakt bruk i dag inneholder ofte bly, som er et virkningsfullt grunnstoff for å oppnå den ønskede bearbeidbarheten. Imidlertid er bly et miljøfarlig grunnstoff og utviklingen innenfor miljølovgivning tyder derfor på at bly kan bli forbudt eller underlagt begrensninger som legeringsmateriale i stål. I denne sammenhengen anses miljøvennlig å bety uskadelig for naturen eller personer som kommer tett på materialet under tilvirkning, spesielt varmforming, maskinering av komponenter, bruk og resirkulering. 3 Ett eksempel på et blyholdig automatstål er Sandvik AP, som har en nominell sammensetning bestående av 1 vekt% C, 0,2 vekt% Si, 0,4 vekt% Mn, 0,0 vekt% S og 0,2 vekt% Pb. Dette stålet oppviser veldig god bearbeidbarhet, slitasjebestandighet og herdbarhet samt utmerket dimensjonsstabilitet etter varmebehandling. Som følge av disse egenskapene er det veldig godt egnet til lange smale komponenter, så som aksler i måleinstrumenter, og presisjonsventiler, spesielt i bilindustrien. Det har også andre mulige bruksområder, så som i klokkekomponenter, målesonder og presisjons-

3 2 verktøy. Siden dette materialet inneholder bly anses det imidlertid ikke som miljøvennlig. Eksempler på blyfritt automatstål kan finnes i US 03/ A1, EP A og US,648,044 A, som alle er til bruk i maskinstrukturer. Disse stålene oppviser imidlertid ikke egenskaper som er tilfredsstillende for små dimensjoner, og representerer derfor ikke formålstjenlige sammensetninger. Følgelig er det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et alternativt stål som kan brukes som metalltråd, spesielt i små dimensjoner, og som ikke er skadelig for miljøet. 1 Oppsummering Det angitte formålet oppnås av et stål ifølge krav 1. Stålet er fritt for bly og er således mye mindre skadelig for miljøet. I tillegg har det god herdbarhet, god bearbeidbarhet og høy slitasjebestandighet. Det har også tilsvarende eller noe bedre korrosjonsegenskaper sammenliknet med kjent teknikk, så som det blyholdige stålet Sandvik AP. Det blyfrie automatstålet ifølge oppfinnelsen er meget godt egnet til bruk i anvendelser så som målesonder og -instrumenter, bildeler, så som drivstoffinnsprøytingssystemer og presisjonsventiler for ABS-bremser. Det er også meget godt egnet til bruk i klokker. 2 Selv om stålet er utviklet for bruk i små dimensjoner, primært for eksempel i anvendelsene nevnt over, kan det også benyttes i andre anvendelser som krever herdbarhet og bearbeidbarhet og for hvilke automatstål anses å være et hensiktsmessig materialvalg. 3 Kort beskrivelse av tegningene Figur 1a viser Vickers-hardhet (HV1) for noen testede sammensetninger som funksjon av kjølehastighet for noen forsøkssett (trial heats). Figur 1b viser en forstørrelse av en del av figur 1a. Den markerte delen i figur 1a representerer området som er forstørret. Figur 2 viser bearbeidbarheten til noen testede sammensetninger som flankeslitasje på en skjærekant som funksjon av skjæretid når en skjærehastighet på 1 m/min anvendes.

4 3 1 Figur 3 viser bearbeidbarheten til noen testede sammensetninger som flankeslitasje på en skjærekant som funksjon av skjæretid når en skjærehastighet på m/min anvendes. Figur 4 viser maskinert volum for noen testede sammensetninger når flankeslitasjen på en skjæreinnsats var 0,1 mm, for skjærehastigheter henholdsvis på 1 m/min og m/min. Figur viser resultatet av teoretiske beregninger av karboninnholdet i austenitten og molfraksjonen av sementitt som er igjen ved 800 C for noen sammensetninger. Figur 6 viser bearbeidbarheten til noen testede sammensetninger som endring av diameter som funksjon av maskinerte deler når en skjærehastighet på m/min anvendes. Figur 7 viser bearbeidbarheten til noen testede sammensetninger som endring av diameter som funksjon av maskinerte deler når en skjærehastighet på m/min anvendes. Figur 8 viser bearbeidbarheten til noen testede sammensetninger som overflateruhet som funksjon av maskinerte deler når en skjærehastighet på m/min anvendes. Figur 9 viser bearbeidbarheten til noen testede sammensetninger som overflateruhet som funksjon av maskinerte deler når en skjærehastighet på m/min anvendes. 2 Detaljert beskrivelse Innholdet og innvirkningen av de forskjellige grunnstoffene er beskrevet nedenfor, hvor alle tallene vedrørende innholdet er angitt i vektprosent (vekt%). C 0,8-1,2 vekt% Karbon vil bedre stålets hardhet ved å øke hardheten til martensitt og øke karbidandelen. En for stor mengde karbon kan imidlertid forringe bearbeidbarheten. Den øvre grensen for karboninnhold i dette stålet bør derfor være 1,2 vekt% for å unngå en reduksjon av bearbeidbarheten. For å oppnå en passende hardhet og slitasjebestandighet for en komponent laget av stålet som skal anvendes i den tiltenkte anvendelsen, bør den nedre grensen for karboninnhold være 0,8 vekt%. 3 Lavt karboninnhold er gunstig for bearbeidbarheten, men har en uheldig innvirkning på andre egenskaper. Disse uheldige innvirkningene kan nøytraliseres ved å øke mengden av alternative grunnstoffer. Redusert karboninnhold kan redusere

5 4 herdbarheten, men kan kompenseres gjennom en økning av grunnstoffer som mangan, krom, kobber og nikkel, som bedrer herdbarheten, dvs. forsinker omdannelsen til pearlitt/bainitt. Redusert karboninnhold resulterer også i en redusert andel karbider, som kan kompenseres gjennom en økning av karbid-dannende grunnstoffer, hovedsakelig krom. Et økt krominnhold må imidlertid balanseres mot karboninnholdet og herdetemperaturen for å oppnå en optimal kombinasjon av hardhet og slitasjebestandighet for materialet. Ifølge en foretrukket utførelsesform bør karboninnholdet være 0,9-1,1 vekt%. 1 Si 0,1-0,6 vekt% Silisium har en løsningsherdende (solution hardening) virkning. Silisium øker også karbonaktiviteten under utglødning. I tillegg, som følge av den høye affiniteten for oksygen, anvendes silisium ofte for å deoksidere stål under fremstilling, for å øke materialets renhet. Disse virkningene oppnås ikke ved et silisiuminnhold som er lavere enn 0,1 vekt%. Ved høyt silisiuminnhold reduseres varmformbarheten. Silisiuminnholdet bør derfor ikke overstige 0,6 vekt% silisium, og er fortrinnsvis maksimalt 0,4 vekt%. Ifølge en foretrukket utførelsesform er silisiuminnholdet 0,1-0,3 vekt%, mer foretrukket 0,2-0,3 vekt%. 2 Mn 0,4-1,2 vekt% Mangan påvirker morfologien til sulfidene og fører til dannelse av mangansulfider, som øker stålets bearbeidbarhet. Mangan resulterer også i en tendens til økt deformasjonsherding og bedre herdbarhet. Store mengder mangan i et automatstål kan imidlertid redusere korrosjonsbestandigheten. Manganinnhold mindre enn 0,4 vekt% fører til en utilstrekkelig mengde sulfider, mens en for stor mengde mangan, over 1,2 vekt%, resulterer i en økt tendens til deformasjonsherding, som i sin tur fører til redusert bearbeidbarhet. Fortrinnsvis er innholdet av Mn 0,-1,1 vekt%, mer foretrukket 0,-0,7 vekt%. 3 P maksimalt 0,0 vekt% Fosfor er i alminnelighet skadelig for stålet som følge av risiko for skjørhet. Et fosforinnhold over 0,2 vekt% er derfor ugunstig. I dette tilfellet settes mengden av fosfor til maksimalt 0,0 vekt%, for å muliggjøre resirkulering av skrapmetall dannet under maskinering. Fortrinnsvis bør stålet ha et fosforinnhold på maksimalt 0,03 vekt%. S 0,04-0,3 vekt%

6 Svovel øker stålets bearbeidbarhet som følge av dannelse av sulfider, f.eks. mangansulfider. Disse sulfidene har lett for å gjennomgå plastisk deformasjon under valsing, smiing eller kaldtrekking, og verktøyslitasje under maskinering avtar dramatisk. Svovelinnholdet nødvendig for å oppnå en forbedring i bearbeidbarhet er 0,04 vekt% eller mer, fortrinnsvis minst 0,0 vekt%, mer foretrukket minst 0,08 vekt%. Imidlertid kan høyt svovelinnhold føre til problemer under varmforming. Korrosjonsegenskapene og overflatekvaliteten kan også påvirkes negativt. Resultater av tidligere undersøkelser har tydet på at det maksimale innholdet av svovel er rundt 0,3 vekt%. Bearbeidbarheten til et stål med et svovelinnhold over denne grensen påvirkes ikke like positivt av et økt svovelinnhold sammenliknet med et materiale med et svovelinnhold under 0,3 vekt%. Innholdet av svovel bør derfor være maksimalt 0,3 vekt%, fortrinnsvis maksimalt 0,2 vekt%, mer foretrukket maksimalt 0,1 vekt%. 1 Cr maksimalt 2 vekt% Krom i store mengder vil føre til dannelse av rustfritt stål. I mindre mengder vil det bedre korrosjonsegenskapene. Krom er også et grunnstoff som bedrer herdbarheten, og vil danne kromsulfid dersom innholdet av mangan er for lavt. I foreliggende oppfinnelse bør innholdet av krom være maksimalt 2 vekt% for å unngå eventuelle negative innvirkninger på materialets egenskaper. Høyere krominnhold resulterer i en brå økning av karbidandelen og en reduksjon av karboninnholdet i matrisen, noe som forårsaker lavere martensitthardhet. Endringer i sementitt-karbidstrukturen kan også forventes ved høyere krominnhold. Fortrinnsvis bør innholdet av krom være 0,1-0,8 vekt%, mer foretrukket 0,1-0, vekt%. 2 Ni maksimalt 1 vekt% Nikkel tilsatt i små mengder har ingen nevneverdig innvirkning på hverken bearbeidbarhet, korrosjon eller herdbarhet. I større mengder stabiliserer nikkel den austenittiske fasen og øker mengden bibeholdt austenitt etter herding, noe som reduserer hardheten mens herdbarheten og seigheten kan bedres. Som følge av høye kostnader for nikkellegeringer bør nikkelinnholdet være under 1 vekt%, fortrinnsvis maksimalt 0, vekt%, mer foretrukket maksimalt 0,4 vekt%. 3 Mo maksimalt 0, vekt% Molybden øker herdbarheten. Et høyt molybdeninnhold vil imidlertid kunne svekke stålets varmbearbeidbarhet. Den øvre grensen for molybden bør derfor være 0, vekt% i dette tilfellet. Molybden forefinnes ofte i urenhetsnivåer som følge av råmaterialet som anvendes, dvs. opptil omtrent 0,1 vekt%.

7 6 Cu maksimalt 2 vekt% Kobber kan ha en positiv innvirkning på bearbeidbarheten med hensyn til økt verktøylevetid, for eksempel ved dreiing. Kobber har også vært rapportert å gi forbedrede korrosjonsegenskaper, og spesielt reduserer det hastigheten for generell korrosjon. Dersom det tilsettes i for høy andel kan imidlertid kobber redusere materialets varmduktilitet og redusere muligheten til å danne så små biter som mulig. Kobber kan derfor tilsettes i en mengde på opptil 2 vekt%. Fortrinnsvis er kobberinnholdet 0,02-1,8 vekt%, mer foretrukket 0,3-1,7 vekt%. Ifølge én utførelsesform kan legeringen inneholde 0,3-1,0 vekt% Cu. 1 Al maksimalt 0,1 vekt% Normalt blir aluminium tilsatt materialet som et deoksidasjonsmiddel for å øke stålets renhet. Store mengder aluminium vil imidlertid virke negativt inn på bearbeidbarheten, noe som i sin tur øker verktøyslitasjen som følge av økt mengde harde og sprø aluminiumoksider i stålet. I foreliggende oppfinnelse bør derfor aluminiuminnholdet være så lavt som mulig, < 0,1 vekt%, for å unngå redusert bearbeidbarhet. Som følge av den negative innvirkningen på verktøylevetid forårsaket av aluminiumoksider i et stål, bør fortrinnsvis silisium anvendes som deoksidasjonsmiddel under fremstilling av stålet ifølge foreliggende oppfinnelse. 2 B maksimalt 0,008 vekt% Bor bedrer stålets herdbarhet og vil i små mengder også bedre varmbearbeidbarheten. Imidlertid anses dannelse av bornitrider noen ganger å forårsake økt verktøyslitasje som følge av den forholdsvis høye hardheten til inklusjonene som dannes. Bor i for store mengder anses også i alminnelighet å gi materialet dårlig varmduktilitet. Innholdet av bor bør følgelig være maksimalt 0,008 vekt% i stålet, fortrinnsvis maksimalt 0,00 vekt%. Ifølge en utførelsesform er stålet fritt for tilsats av bor. 3 Bi+Se+Te maksimalt 0,00 vekt% Vismut bedrer bearbeidbarheten. Legering med vismut er imidlertid forholdsvis dyrt. Selen og tellur er også grunnstoffer som bedrer bearbeidbarheten. Imidlertid bør mengden av både selen og tellur være så lav som mulig, hovedsakelig på grunn av kostnad og av miljømessige årsaker. Vismut, selen og tellur kan tilsettes i en mengde på opptil maksimalt 0,00 vekt% totalt. Ifølge en foretrukket utførelsesform inneholder ikke stålet noen som helst tilsatser av vismut, selen eller tellur.

8 7 Ti+Nb+Zr+V maksimalt 0,2 vekt% Titaninnholdet bør være så lavt som mulig for å unngå dannelse av inklusjoner av titankarbonitrider. Disse inklusjonene er veldig harde og vil føre til økt verktøyslitasje. Titaninnholdet bør derfor være så lavt som mulig. Normalt er niob nyttig for å hindre forgrovning av krystallkornene i stålet ved høy temperatur, men endogent dannede niobnitrider vil ha en ugunstig virkning på bearbeidbarheten. Innholdet av niob bør derfor holdes så lavt som mulig. I materialer som ikke er spesifikt tiltenkt for anvendelser som krever maskinering blir noen ganger zirkonium tilsatt for å hindre kornvekst under prosessering og for å redusere sprøhet i stålet. Imidlertid kan zirkonium danne karbider og/eller nitrider, som øker verktøyslitasjen. Innholdet av zirkonium bør derfor være så lavt som mulig. 1 Vanadium går sammen med nitrogen og karbon og danner karbonitrider, som hindrer kornvekst i stålet. Imidlertid har vanadiumkarbonitrider samme virkning som titankarbonitrider på verktøyslitasjen, noe som innebærer at innholdet av vanadium bør være så lavt som mulig. 2 For å unngå negative innvirkninger på bearbeidbarheten bør følgelig summen av tilsatsen av titan, niob, zirkonium og vanadium være maksimalt 0,2 vekt%. Ifølge en utførelsesform er stålet fritt for tilsats av titan, niob, zirkonium og vanadium. Det skal imidlertid bemerkes at disse grunnstoffene kan forefinnes som urenheter som følge av valget av råmateriale. Urenheter Stålet kan også inneholde normalt forekommende urenheter som følge av råmaterialet som anvendes og/eller tilvirkningsprosessen som velges. Innholdet av disse urenhetene bør imidlertid reguleres slik at egenskapene til det produserte stålet er hovedsakelig upåvirket av tilstedeværelsen av disse urenhetene. Ett eksempel på en slik urenhet er nitrogen, som hensiktsmessig holdes under 0,08 vekt%. Andre eksempler er fosfor og aluminium, som beskrevet over, og mengdene av disse bør overvåkes nøye. 3

9 8 Stålet ifølge oppfinnelsen kan fremstilles gjennom tradisjonelle smelteprosesser, så som smelting i høyfrekvensovn eller AOD. Stålet kan hensiktsmessig bli herdet ved utjevningstemperaturer (soaking temperatures) på C. 1 Ifølge en foretrukket utførelsesform har stålet en tilnærmet sammensetning (i vektprosent) som følger: C 1 Si 0,2 Mn 0, P maks. 0,02 S 0,1 Cr 0,2 Ni maks. 0,4 Cu 1, resten er Fe og normalt forekommende urenheter 2 Ifølge en annen foretrukket utførelsesform har stålet en tilnærmet sammensetning (i vektprosent) som følger: C 1 Si 0,3 Mn 1 P maks. 0,02 S 0,1 Cr 0,2 Ni 0,0 Cu 0,03 resten er Fe og normalt forekommende urenheter 3 Ifølge en tredje foretrukket utførelsesform har stålet en tilnærmet sammensetning (i vektprosent) som følger: C 1 Si 0,2 Mn 0, P maks. 0,02 S 0,1 Cr 0, Ni 0,4

10 9 Cu 0,4 resten er Fe og normalt forekommende urenheter Ifølge en fjerde foretrukket utførelsesform har stålet en tilnærmet sammensetning (i vektprosent) som følger: C 0,9 Si 0,2 Mn 0, P maks. 0,02 S 0,1 Cr 1, Ni maks. 0,1 Cu 0,4 resten er Fe og normalt forekommende urenheter 1 Stålet ifølge foreliggende oppfinnelse har typisk en hardhet, når den er herdet ved omtrent 800 C, på minst 80 HV1 etter bråkjøling og minst 600 HV1 etter minutter med utgløding ved 0 C. Det har også en bearbeidbarhet som, med hensyn til skjæretid før innsatsslitasjekriteriene er nådd, er minst like god som bearbeidbarheten til et motsvarende blylegert stål. Når indekserbare hardmetallinnsatser og en skjærehastighet på omtrent 1 m/min anvendes, kan en skjæretid på minst timer oppnås. 2 Eksempel 1 - Sammensetninger Tolv forskjellige forsøkssett av legeringen ifølge oppfinnelsen ble fremstilt ved smelting i høyfrekvensovn med påfølgende støping til støpeblokker på 270 kg. For å hindre sprekkdannelse fikk støpeblokkene kjøle seg langsomt ned til romtemperatur fra omtrent C i et isolert miljø i en uke før de ble varmet opp på nytt og smidd til runde stenger med diameter Ø 4 mm. Før testing ble materialene mykglødet ved omtrent 70 C i omtrent 4 timer etterfulgt av kontrollert avkjøling med en hastighet på omtrent C/t. 3 De kjemiske sammensetningene for forsøkssettene og for det blyholdige referansematerialet (REF1) er angitt i tabell 1, hvor alle tall er gitt i vektprosent. Referansematerialet ble fremstilt gjennom storskalasmelting, sekundær foredling og kontinuerlig støping.

11 Tabell 1 Sett C Si Mn S Cr Ni Cu Annet -68 0,97 0,24 0,0 0,046 0,17 0,07 0, ,93 0,22 0,4 0,091 0,17 0,06 0, ,96 0,27 1, 0,097 0,18 0,06 0, ,00 0,22 0,89 0,24 0,16 0,06 0, ,01 0,23 0,7 0,12 0,17 0,06 0,026 B 41 ppm -73 0,99 0,21 0,2 0,094 0,17 0,37 0, ,01 0,23 0,3 0,11 0,2 0,3 0,36-7 1,01 0,22 0,2 0,11 0,17 0,36 0,1-76 1,01 0, 0,1 0,088 0,17 0,06 1,6-77 0,91 0,22 0,3 0,091 0,17 0,33 1,0-79 1,02 0, 0,48 0,07 0,18 0,06 0,028 Bi 0,047% -99 1,00 0,26 0,6 0,067 0,18 0,07 0,023 Ca 33 ppm Alle sammensetninger i forsøkssettene inneholdt maksimalt 0,03 % P, maksimalt 0,02% N, maksimalt 0,0% Mo, maksimalt 0,0% Al og maksimalt 0,03% V, som betraktes som urenheter i forsøkssettene. Mo kan imidlertid i noen tilfeller bli tilsatt i materialet for å øke korrosjonsbestandigheten. 1 Eksempel 2 - Herdbarhet Prøvestykkene i settene -68 til -77, -79 og -99 i eksempel 1, i form av hule prøvestykker med utvendig diameter 4,9 mm, innvendig diameter 4,1 mm og lengde 12, mm, ble herdet ved oppvarming fra romtemperatur til 800 C med en hastighet på 2 C/s. Prøvestykkene ble holdt ved 800 C i minutter. Deretter ble kjøling av prøvestykkene med kontrollert kjølehastighet oppnådd ved å spyle prøvestykkene med helium. Herdbarheten til settene ble testet ved å anvende et Quench-dilatometer for å bevirke den kontrollerte kjølehastigheten. En lav kjølehastighet kan føre til uønskede faseoverganger i den austenittiske fasen, for eksempel til bainitt eller perlitt, i stedet for martensitt, noe som fører til en reduksjon av materialets hardhet. Etter varmebehandling ble prøvestykkene undersøkt med henblikk på Vickers-hardhet (HV1) og mikrostruktur. I figur 1a og figur 1b er hardheten til de testede materialene etter herding vist som funksjon av tiden (antall sekunder) det tok å kjøle ned materialet fra 800 C til 700 C. Kjølehastigheten varierte fra omtrent C/s til 400 C/s. Testresultatene vist i figur 1a og figur 1b er også listet i tabell 2.

12 11 Det kan sees at tre materialer, settene -70, -74 og -77, har høyere herdbarhet enn de andre materialene, som kan sees av en høy hardhet også etter herding ved lavere kjølehastigheter. Det er velkjent at en lavere kjølehastighet, samtidig som det fortsatt oppnås en tilfredsstillende hardhet, indikerer at materialet er lettere å fremstille siden bråkjølingshastigheten er mindre avgjørende. Sett -70 har et høyt innhold av mangan (1,1 vekt%) mens sett -74 har forholdsvis høye innhold av krom, nikkel og kobber (0,3% Cr, 0,3% Ni og 0,36% Cu) og sett -77 har et forholdsvis høyt innhold av nikkel (0,34 %) og et høyt kobberinnhold (1,0 %). For de andre testede materialene er forskjellene i herdbarhet mindre bemerkelsesverdige. Tabell Sett Hardhet Tid Hardhet Tid Hardhet Tid Hardhet Tid (HV1) (s) (HV1) (s) (HV1) (s) (HV1) (s) , , , , ,24 9 0, , , , , , , , , , , ,24 9 0, , , , , , , ,24 9 0, , 828 3, , , , , , ,1 1, , , , , , , , , , , , ,2 1 Undersøkelse av mikrostrukturene etter herding indikerer at de høyere hardhetene i settene -70, -74 og -77, også etter lavere kjølehastigheter, er som følge av en større mengde martensitt og ikke som følge av dannelse av bainitt. Testresultatene tyder på at mangan og krom samt store mengder av kobber har en gunstig innvirkning på herdbarhet, mens mindre mengder av kobber (omtrent 0,% i sett -7), så vel som tilsatser av nikkel, svovel, bor, vismut og kalsium, har ingen eller bare begrenset innvirkning på herdbarheten. Økningen i herdbarhet anses derfor å avhenge hovedsakelig av grunnstoffene mangan og krom, i det en økt mengde av hver bedrer materialets herdbarhet.

13 12 Eksempel 3 - Herding etterfulgt av utgløding I tillegg til herdbarhetstesten i eksempel 2 ble noen av prøvestykkene også anvendt for å undersøke materialets hardhet etter herding etterfulgt av utgløding. Tabell 3 viser hardhet (HV1) for materialene etter herding ved omtrent 800 C, i omtrent minutter, og deretter utgløding i minutter ved fire forskjellige temperaturer, nemlig 0 C, 0 C, 0 C og 00 C. Resultatene viser at forskjellene i hardhet etter herding og utgløding er små. Den største forskjellen i hardhet mellom de forskjellige settene kan sees før utgløding, dvs. etter herding, eller etter utgløding ved temperaturer under 0 C. Tabell 3 Sett Hardhet [HV1] Etter herding Utglødning ved 0 C Utglødning ved 0 C Utglødning ved 0 C Utglødning ved 00 C ± ± 4 ikke testet 67 ± ± ± ± 16 ikke testet 68 ± ± ± 940 ± ± ± ± ± 8 9 ± ikke testet 62 ± ± ± ± 1 ikke testet 63 ± ± ± 7 9 ± 12 ikke testet 60 ± ± ± ± ± ± 0 39 ± ± ± ikke testet 663 ± 3 4 ± ± 8 9 ± ikke testet 669 ± ± ± ± 0 ikke testet 69 ± ± ± ± 12 ikke testet 61 ± ± ± ± ± ± 7 ikke testet 1 Det er klart at forskjellen i hardhet etter herding og utgløding er liten mellom de undersøkte legeringene. En utglødingstemperatur under 0 C gir de største forskjellene mellom legeringene med hensyn til hardhet og til innhold av restaustenitt. Eksempel 4 - Bearbeidbarhet Bearbeidbarheten til alle sammensetningene gitt i eksempel 1 ble testet. Prøvestykkene hadde en diameter på omtrent Ø 40 mm og overflaten hadde blitt dreiet på forhånd for å minimere innvirkningen av overflatedefekter. For alle maskineringstestene var testoperasjonen en aksial dreieoperasjon med et skjæredyp som fortløpende ble endret mellom 0, mm og 1, mm. Skjærehastigheten

14 13 var 1 m/min. I tillegg ble noen av materialene også testet ved en skjærehastighet på m/min. Skjærematingen var omtrent 0,0 mm/omdreining i alle testene. Maskineringstestene ble utført med belagte indekserbare hardmetallinnsatser av typen Coromant CoroCut XS, kvalitet GC 2. Evalueringen ble gjort ved å måle slitasjen på innsatsene som funksjon av skjæretid. Resultatene er illustrert i figur 2 og figur 3 som flankeslitasje på skjærekanten som funksjon av skjæretid i minutter. Resultatene viser at alle de testede materialsammensetningene bortsett fra én (sett - 77) gir en verktøyslitasjehastighet som er i samme størrelsesorden som, eller langsommere enn, det blyholdige referansematerialet REF1. 1 Større mengder av svovel og/eller mangan gir en bedre bearbeidbarhet med hensyn til verktøyslitasjehastigheten, trolig som følge av et høyere innhold av mangansulfider i materialet. Bor ser ut til å ha en gunstig innvirkning på bearbeidbarheten (sett -72). En stor mengde kobber (omtrent 1, % i settene -76 og -77) ser ut til å redusere bearbeidbarheten med hensyn til verktøyslitasje. En liten mengde kobber, så som opptil omtrent 0, % (sett -74 og -7) ser ikke ut til å ha nevneverdig innvirkning på verktøyslitasje. 2 Bearbeidbarheten til noen av prøvematerialene i eksempel 1 ble også testet ved en skjærehastighet på m/min. Som funksjon av tid utviklet verktøyslitasjen seg med samme tempo eller langsommere for prøvematerialene sammenliknet med det blyholdige referansematerialet (REF1). Figur 3 viser resultatet fra testene med en skjærehastighet på m/min. I henhold til testene med en skjærehastighet på 1 m/min gir en større mengde svovel og/eller bor bedre bearbeidbarhet med hensyn til verktøyslitasje. Den positive innvirkningen av mangan er redusert sammenliknet med resultatene fra testene med lavere skjærehastighet. 3 Figur 4 illustrerer det maskinerte volumet for noen av prøvematerialene ved de forskjellige skjærehastighetene (1 m/min og m/min) når flankeslitasjen var 0,1 mm. Resultatet for sett -70 er en ekstrapolasjon siden testen ble stanset før flankeslitasjekriteriet var nådd. Sammenliknet med den laveste skjærehastigheten medførte den høyeste skjærehastigheten i alminnelighet høyere verktøyslitasje som funksjon av maskinert volum. Unntaket var sett -68 og det vismutlegerte materialet, dvs. sett -79. Eksempel - Slitasjebestandighet

15 14 Bestandigheten til materialet mot glideslitasje avhenger av mange materialparametere og bruksparametere. For mange anvendelser innenfor det tekniske området til testmaterialene er det imidlertid trolig at de to viktigste materialparametrene som påvirker slitasjebestandighet er matrisens hardhet og mengden harde partikler i materialet. Basert på en antagelse om at matrisehardheten til det herdede materialet er proporsjonal med mengden karbon som oppløses i austenitten ved herdetemperaturen og at mengden harde partikler i materialet er gitt ved mengden sementitt som ikke oppløses ved herdetemperaturen, ble det gjort en teoretisk sammenlikning mellom prøvematerialene i eksempel 1. 1 De teoretiske beregningene ble utført ved anvendelse av Thermo-Calc (versjon Q, database CCTSS). Det skal bemerkes at disse beregningene forutsetter likevekt og derfor kun bør tjene som en pekepinn på hva som kan forventes i praksis. Resultatet ved temperaturen 800 C, som anses å være en passende temperatur for herding av legeringene ifølge oppfinnelsen, er vist i figur. 2 Resultatene viser at forskjellene mellom prøvematerialene er forholdsvis små. Den store mengden sementitt og det lavere karboninnholdet ved herdetemperaturen i sett -74 er trolig en følge av det høyere innholdet av krom, som stabiliserer sementitten. Med en høyere herdetemperatur kan mer av sementitten i sett -74 bli oppløst og gi en større mengde karbon i matrisen. På den annen side øker det høyere karboninnholdet i matrisen tendensen til dannelse av restaustenitt når materialet bråkjøles. En stor mengde restaustenitt reduserer hardheten og vil også kunne svekke materialets slitasjebestandighet. For sett -77 medfører det lavere karboninnholdet mindre karbon oppløst i austenitten og en lavere mengde restsementitt ved herdetemperaturen. 3 Eksempel 6 - Korrosjon Korrosjonsbestandigheten til settene i eksempel 1, bortsett fra sett -99, ble testet i et klimaskap. Fuktighetsnivået ble variert i henhold til et syklisk program for å simulere virkelige omgivelsesforhold som stålet kan bli utsatt for. Hovedsyklusen bygget på en gjentagelse av syklus 1 gitt nedenfor. Syklus 1

16 1 Trinn 1. Trinn 2. Trinn 3. Trinn 4. Konstante forhold ved 3 C og 90% relativ fuktighet (RH) i 7 timer. Lineær reduksjon til 4 % relativ fuktighet (RH) over en periode på 1, timer. Konstante forhold ved 3 C og 4% relativ fuktighet (RH) i 2 timer. Lineær økning til 90% relativ fuktighet (RH) i 1, timer. Tre prøvestykker av hvert materiale ble produsert med dimensjoner Ø 40 mm x mm. Omhyllingsflatene av prøvestykkene ble dreiet og endeflatene ble slepet. Før start ble alle prøvestykkene neddykket i én time i en løsning av natriumklorid (1% NaCl) og overflødig fluid fikk renne av i omtrent minutter, for å akselerere korrosjonshastigheten. I den første syklusen ble trinn 1 erstattet med trinn. Trinn. Konstante forhold ved 3 C og 90% relativ fuktighet (RH) i 6 timer. 1 Prøvestykkene ble undersøkt etter 8, 24, 48 og 96 timer med eksponering for syklusen gitt over. Ved hver undersøkelse ble mengden korrosjon klassifisert med hensyn til det korroderte arealet av hvert prøvestykke. Følgende betegnelser ble anvendt: A = ingen korrosjon på prøvestykket B = mindre enn % av overflaten er korrodert C = mellom % og 70 % av overflaten er korrodert D = mer enn 70 % av overflaten er korrodert 2 Resultatene, gitt i tabell 4, viser at bestandigheten mot korrosjon, og spesielt tiden til innledning av generell korrosjon, avtar når innholdet av svovel og mangan er høyt slik at det resulterte i dannelse av mangansulfider. Dette kan sees for eksempel i sett -71 og sett -70, som utviser et korrosjonsangrep i henhold til klassifisering D allerede etter 24 timer. Andre grunnstoffer ser ikke ut til å ha noen nevneverdig innvirkning. 3 Det er kun mindre forskjeller mellom legeringene. Tilsvarende som referansematerialet (REF1) vil alle legeringer korrodere med tiden dersom materialene ikke er beskyttet mot korrosjon. For den tiltenkte anvendelsen er ikke korrosjon noe problem. For håndteringsprosessen må det imidlertid verifiseres at materialet ikke forblir ubeskyttet over lang tid. Flere av legeringene beskrevet i foreliggende oppfinnelse fremviser høyere korrosjonsbestandighet over lange tidsperioder enn referansematerialet.

17 16 Tabell 4 Eksponeringstid/klassifisering Sett nr. 8 timer 24 timer 48 timer 96 timer -68 B, B, B C, C, B C, C, B C, C, C -69 C, C, B C, C, C C, C, C C, D, D -70 C, C, C D, C, C D, C, C D, D, D -71 C, C, C D, C, C D, C, D D, C, D -72 C, B, B C, C, B D, C, C D, C, C -73 C, B, B C, C, C C, C, C C, C, C -74 C, B, B C, C, C C, C, C C, C, C -7 C, C, B C, C, C C, C, C C, C, C -76 C, C, C C, C, C C, C, C C, C, C -77 B, B, B C, C, B C, C, C C, C, C -79 B, B, B C, C, B C, C, C C, C, C REF1 B, B, B C, C, B C, C, C D, D, D Eksempel 7 - Storskalasmelting Tre forskjellige forsøkssett av legeringen ifølge oppfinnelsen ble produsert ved smelting i høyfrekvensovn med påfølgende støping til støpeblokker på tonn. For å hindre sprekkdannelse fikk materialet langsomt kjøle seg ned til 90 C, før det ble varmet opp igjen til omtrent 10 C. Deretter ble materialet varmvalset til kvadratiske emner på x mm. Emnene ble slepet på alle sider før trådvalsing ble utført. Påfølgende trådtrekking med mykglødning ble utført ned til en endelig størrelse på over Ø 3 mm etterfulgt av utstrekking og sliping ned til størrelse Ø 3,0 mm. Mykglødning ble utført ved omtrent 70 C i omtrent timer, etterfulgt av kontrollert nedkjøling ved en hastighet på omtrent C/h ned til 60 C. 1 De kjemiske sammensetningene til forsøkssettene og til et blyholdig referansemateriale (REF2) er listet i tabell, hvor alle tallene er oppgitt i vektprosent. Referansematerialet var fremstilt ved hjelp av storskalasmelting etterfulgt av sekundær foredling og kontinuerlig støping.

18 17 Tabell Sett C Si Mn S Cr Ni Cu Annet -7 0,86 0,38 0,8 0,081 1,3 0,0 0,37-9 1,07 0,21 0,49 0, 0,4 0,06 0, ,06 0,2 0,81 0,098 0,14 0,04 0,08 REF2 0,96 0,16 0,47 0,00 0,12 0,02 0,01 Pb 0,17% Alle sammensetninger i forsøkssettene inneholdt maksimalt 0,03 % P, maksimalt 0,02% N, maksimalt 0,0% Mo, maksimalt 0,0% Al og maksimalt 0,03% V, som anses som urenheter i forsøkssettene. 1 Bearbeidbarheten til alle sammensetningene gitt i tabell ble testet. For alle maskineringstester var testoperasjonen en freseskjæringsoperasjon (plunge cutting) der skjæredypet ble endret mellom 0,1 mm, 0,80 mm og 1,0 mm. Skjærehastigheten var m/min eller m/min. Skjærematingen for alle testene var 0,01 mm/omdreining. Maskineringstestene ble utført med belagte indekserbare hardmetallinnsatser av typen BIMU 06L 3,, kvalitet Bi40. Evaluering ble utført ved å måle dimensjon og overflateruhet som funksjon av skjæretid. Resultatene er illustrert i figur 6 og figur 7 som dimensjonsendring som funksjon av antall maskinerte deler, og i figur 8 og figur 9 som overflateruhet som funksjon av antall maskinerte deler. Resultatene viser at alle de testede sammensetningene bortsett fra én (sett -7) gir en dimensjonsendring og overflateruhet på nivå med referansematerialet, REF2. For sett -7 ved en skjærehastighet på m/min fremviser dimensjonsendringen et annerledes mønster sammenliknet med de andre settene, se figur 6. For en skjærehastighet på m/min kunne ikke sett -7 testes som følge av dannelse av for lange biter og vanskeligheter med å få ut bitene. 2 Større mengder svovel gir bedre bearbeidbarhet med hensyn til dimensjonsendring, trolig som følge av et høyere innhold av mangansulfider i materialet. Krom ser ut til å ha en ugunstig virkning på bearbeidbarheten (sett -7). I tillegg til bearbeidbarhetstesten beskrevet over ble prøvestykkene med dimensjon 0,3 mm anvendt for å undersøke materialhardheten etter herding fulgt av utgløding. Tabell 6 viser hardhet (HV) for materialene etter herding ved omtrent 800 C, i omtrent 4 henholdsvis minutter, og deretter utgløding i minutter ved to forskjellige temperaturer, C og 400 C.

19 18 Tabell 6 Sett Utjevningstid 4 min. Hardhet [HV] Utjevningstid min. Etter Utgløding Utgløding Etter Utgløding Utgløding herding ved C ved 400 C herding ved C ved 400 C REF Resultatene viser at forskjellene i hardhet etter herding og utgløding er små, bortsett fra for sett -7. Den største forskjellen i hardhet mellom de forskjellige settene kan sees før utgløding, dvs. etter herding, eller etter utgløding ved temperaturer på C. Forskjellen i hardhet for sett -7 sammenliknet med de andre settene er trolig en effekt av mindre oppløste karbider, og en følgende reduksjon av karboninnhold, i den austenittiske fasen under oppvarming, som følge av et høyere innhold av krom i sett -7.

20 19 P a t e n t k r a v 1 1. Blyfritt stål med følgende sammensetning, i vektprosent (vekt%): C 0,8-1,2 Si 0,1-0,6 Mn 0,4-1,2 P maksimalt 0,0 S 0,04-0,3 Cr maksimalt 2 Ni maksimalt 1 Mo maksimalt 0, Cu 0,3-1,7 Al maksimalt 0,1 B maksimalt 0,008 Bi+Se+Te maksimalt 0,00 Ti+Nb+Zr+V maksimalt 0,2 resten Fe og normalt forekommende urenheter. 2. Stål ifølge krav 1, omfattende 0,9-1,1 vekt% C. 3. Stål ifølge krav 1 eller 2, omfattende 0,1-0,3 vekt% Si. 4. Stål ifølge ethvert av kravene 1-3, omfattende 0,-1,1 vekt% Mn 2. Stål ifølge ethvert av de foregående krav, omfattende 0,0-0,2 vekt% S. 6. Stål ifølge krav, omfattende 0,08-0,1 vekt% S. 7. Stål ifølge ethvert av de foregående krav, omfattende 0,1-0,8 vekt% Cr. 8. Stål ifølge ethvert av de foregående krav, omfattende maksimalt 0, vekt% Ni. 9. Stål ifølge krav, omfattende 0,3-1,0 vekt% Cu. 3. Stål ifølge ethvert av de foregående krav, omfattende maksimalt 0,00 vekt% B.

21 11. Stål ifølge ethvert av de foregående krav, som er fritt for tilsatser av B. 12. Stål ifølge ethvert av de foregående krav, som er fritt for tilsatser av Bi, Se og Te. 13. Stål ifølge ethvert av de foregående krav, som er fritt for tilsatser av Ti, Zr, Nb og V. 14. Stål ifølge ethvert av de foregående krav, i form av en tråd.

22 21

23 22

24 23

25 24

26 2