Лигатура для выплавки, раскисления, легирования и модифицирования вольфрамомолибденкобальтовой стали для режущего инструмента

 

Изобретение относится к черной металлургии , в частности, к производству лигатур для выплавки, легирования, раскисления и модифицирования сталей, и может быть использовано при выплавке износостойких быстрорежущих инструментальных сталей повышенной производительности, используемых для изготовления режущих инструментов при обработке труднообрабатываемых материалов. Целью изобретения является повышение механической прочности, твердости, технологической пластичности и износостойкости режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали, полученной с использованием предлагаемой лигатуры. Цель достигается тем, что в известную лигатуру, содержащую углерод, хром, вольфрам, молибден, кобальт, ванадий, кремний, алюминий, железо, дополнительно вводят азот, цирконий, гольмий, теллур, висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,5-2,5

хром 0,5-5,0

вольфрам 5,0-25,0

молибден 2,0-15,0

кобальт 0,5-15,0

ванадий 0,5-5,0

кремний 0,3-2,0

алюминий 0,3-1,2

азот 2,5-3,5

цирконий 1,0-2,5

гольмий 0,5-8,0

теллур 1,0-10,0

висмут 0,5-10,0

железо остальное. 5 табл.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

SU» 1507 (s>> 4 С 22 С 35/ОО

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4370256/31-02 (22) 22.01.88 (46) 15.09.89.Бюл. Ф 34 (71) Ростовский-на-Дону институт народного хозяйства (72) М.А.Баранников, N.М.Баранников, M. Г.Морозов и А.С.Туров (53) 669.15-198 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

l1 559988, кл. С 22 С 35/00.

Авторское свидетельство СССР

Ф 981420, кл. С 22 С 35/00. (54) ЛИГАТУРА ДЛЯ ВЫПЛАВКИ,РАСКИСЛЕНИЯ, ЛЕГИРОВАНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ

ВОЛЬФРАМОМОЛИБДЕНКОБАЛЬТОВОИ СТАЛИ

ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА (57) Изобретение относится к черной металлургии, в частности, к производству лигатур для выплавки,легирования, раскисления и модифицирования сталей и может быть использовано при выплавке износостойких.быстрорежущих инструментальных сталей повыИзобретение относится к черной металлургии, в частности к производст-. ву лигатур для выплавки, легирования, раскисления и модифицирования сталей, и может быть использовано при выплавке износостойких быстрорежущих инструментальных сталей повышенной производительности, используемых для изго-. товления режущих инструментов при обработке труднообрабатываемых материалов.

Цель изобретения — повышение механической прочности, твердости, техношенной производительности, используемых для изготовления режущих инструментов при обработке труднообрабатываемых материалов, Целью изобретения является повышение механической прочности, твердости, технологической пластичности и износостойкости режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали, полученной с использованием предлагаемой лигатуры.

Цель достигается тем, что в известную лигатуру, содержащую углерод, хром, вольфрам, молибден, кобальт, ванадий, кремний, алюминий, железо, дополнительно вводят азот, цирконий,гольмий, теллур, висмут при следующем соотношении компонентов, мас.Ж: углерод

0,5-2,5; хром 0,5-5,0; вольфрам 5,0—

25-,0; молибден 2,0-15,0; кобальт

0,5-15,0; ванадий 0,5-5,0; кремний

0,3-2,0; алюминий 0,3-1,2; азот 2,5

3 5; цирконий 1,0-2 5; гольмий 0 5—

8, О; теллур 1, 0-10,0; висмут О, 5—

10 0; железо — остальное. 5 табл. логической пластичности и износостойкости режущего инструмента.

Предлагаемая лигатура для выплавки, раскисления, легирования и модифицирования быстрорежущей вольфрамомолибденкобальтовой стали, содержащая углерод, хром, вольфрам, молибден, кобальт, ванадий, кремний, алюминий, железо, дополнительно содержит азот, цирконий, гольмий, теллур и висмут при следующем соотношении компонентов,X:

1507843

Углерод 0,5 — 2,5

Хром 0 5 - 5,0

Вольфрам 5 0 — 25 0

Молибден 2,0 — 15,0

Кобальт 05 — 150

Ванадий 05 — 50

Кр "мний 0,3 — 2,0

Алюминий 0,3 — 1,2

Азот 2,5 - 3,5 !р

Цирконий 1,0 — 2,5

Гольмий 0,5 -8,0

Теллур 1,0 — 10,0

Висмут 0 5 — 10,0

Железо Остальное 15

Наличие азота в стали приводит к образованию большого количества мелкодисперсных карбонитридов, которые служат центрами кристаллизации. Азот образует износостойкие нитриды и кар-2Р бонитриды ванадия, равномерно расположенные в матрице сплава, которые являются упрочняющими фазами, что ведет к повьппению твердости стали после литья на 2-3 ед. НВС, а также

25 уменьшеHHN склонности к перегреву при закалке. Кроме, того, часть азота, идет на образование нитридов циркония, являющихся ультрадисперсионной упрочняющей фазой, которая в отличие от карбонитридов ванадия не растворяется в стали при температурах закалки 1220-1230 С.

При остаточном содержании азота

0,09-0,25 мас. получают тонкое и 35 равномерное распределение эвтектики, что после деформации обеспечивает более однородное распределение карбидной фазы и приводит к повьппению механических и технологических свойств.40

Содержание азота менее 0,09 мас. не приводит кобразованию упрочняющих нитридных фаз и поэтому не оказывает существенного влияния на повьппение механических свойств стали, а содер- 45 жание его сверх 0,25 мас. вызывает охрупчивание сплава, Цирконий является активным карбидообразующим элементом, и при введении его в быстрорежущую сталь обра-50 зуются мелкодисперсные карбиды циркония, практически не растворяющиеся в аустените, что приводит к обеднению твердого раствора углеродом, Остаточное содержание циркония в стали, выплавленной с использованием предлагаемой лигатуры, составляет

0,15-0,35 мас. . Испытания показали, что остаточное содержание циркония в стали менее 0,15 мас. не оказыва1 ет заметного влияния на свойства стали. При остаточном содержании циркония в выплавленной стали, не превышающем 0,35 мас, . усиливается эффект дисперсионного твердения при отпуске стали (возрастает вторичная твердость). Нри этом зерно мелкое и имеет место возрастание краскостойкости. Такой результат обеспечивается тем, что цирконий, сохраняясь в форме субмикроскопических нитридов по границам зерен, придает значительную устойчивость мартенситу против действия нагрева. Остаточное содержание циркония в выплавленной стали сверх 0,35 мас.% снижает прочность и ударную вязкость стали.

Гольмий имеет большое сродство к кислороду, сере, азоту, фосфору.Введение его в сталь способствует удалению кислорода в виде окислов из стали, что уменьшает чувствительность стали к окислению, а также обеспечивает образование сульфидов, нитри-. дов, карбидов и равномерное распределение их в объеме зерен аустенита, чтб приводит к увеличению межатомной связи и, следовательно, к повьппению износостойкости, механической прочности и технологической пластичности стали, выплавленной с использованием предлагаемой лигатуры. Кроме того, гольмий,.концентрируясь на зерна кристаллитов, закрепляет дефекты на местах, что приводит к увеличению сопротивления деформации — твердости.

Введение гольмия разбивает карбидную сетку, измельчает зерно,оказывает модифицирующее действие на структуру стали, проявляющееся в снижении карбидной неоднородности, способствует сфероидизации нитридных фаз и их равномерному распределению по всему объему сплава, что повьппает разгаростойкость, теплостойкость и ударную вязкость стали, Теллур в количестве 0,15-0,40 мас. взаимодействует с марганцем и железом, что приводит к появлению в стали раздробленных и равномерно распределенных глобулярных включений типа оксителлуридов. Одновременно наблюдается очищение границ зерен. Образующиеся включения являются источ- . ником появления на режущей кромке обрабатывающего элемента защитной пленки, выполняющей функцию сухой

1507843 смазки. Теллуриды создают резерв внутренней смазки, а обособленные теллуриды, выходя на поверхность,обеспе- чивают хороший и прочный слой смаз5 ки, который в случае разрушения,например при заточке инструмента, автоматически восстанавливается. Слой теллуридов хорошо противостоит схватыванию контактирующих металлов,поддерживая коэффициент трения на уровне ниже единицы. Теллурнды способствуют равномерному распределению неметаллических теллуридных включений в виде глобулей. Все это уменьшает си- 15 лу трения на рабочих поверхностях, улучшает горячую обработку стали,увеличивает износостойкость изготовленли инструмента. 35

При выплавке быстрорежущей стали с использованием предлагаемой лигатуры при остаточном содержании висмута в количестве 0,05-0,40 мас. u комплексном легировании стали с голь- 40 мнем приводит к измельчению структуры и вызывает благоприятное перераспределение основных легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой. 45

Висмут как сильный поверхностноактивный элемент, располагаясь при кристаллизации по границе раздела

t жидкой и твердой фаз, препятствует росту первичных зерен. Вследствие размелъчения дендритной структуры твердого раствора энтектические колонии эвтектических систем становятся меньших размеров, образующие их карбиды дисперсны и стремятся к округ- 55 лой форме, Наряду с этим оба элемента оказывают рафинирующее влияние на сталь, уменьшая количество и размеры неметаллических включений,и пе50 ного из нее инструмента.

Наличие в стали висмута приводит 20 к измельчению структуры и вызывает благоприятное перераспределение ос-. новных легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой, что обеспечивает повышение ударной 25 вязкости стали.

Остаточное содержание висмута в выплавленной стали с использованием предлагаемой гигатуры составляет

0,05-0,40 мас, ° Испытания -показали, 30 что остаточное содержание висмута в стали менее 0,05 мас. не оказывает существенного влияния на режущие свойства изготовленного из этой стареводит их в устойчивую глобулярную форму. Все это н совокупности способствует повышению ударной вязкости и улучшает износостойкость стали вследствие смазывающего эффекта, уменьшающего коэффициент трения в контактной зоне.

Из сплавов (см.табл.2) каждого состана изготовляли партии образцов по

ГОСТУ 1524-42 проходных резцов и однозубых фрез.

Затем проводили испытания на определение ударной вязкости, ударно-усталостной прочности, горячей пластичности при кручении, технологической пластичности, жидкотекучести.

Определение ударной вязкости проводили на образцах без надреза 10 х х 10х55 мм на маятниковом копре типа

МК-15 с энергией удара 50 Дж.

Ударно-усталостную прочность определяли на вертикальном копре на образцах 10х10х55 без надреза по числу циклов до полного разрушения образца при энергии единичного удара

5,1 кгс/см, Испытания на горячую пластичность при кручении проводили при 1140 и

1180 С на образцах типа К-1 по ГОСТУ

3565-68.

Испытания технологической пластич. ности проводили в состоянии закалки при 20 С.

Исследование жидкотекучести определяли по длине .спирали, мм, при температуре заливки 1530+10 С.

Результаты испытаний приведены в табл.1.

Как видно. из табл.1, ударная вязкость, ударно-усталостная прочность, горячая пластичность при кручении, технологическая пластичность, жидкотекучесть стали, легированной азотом, цирконием, гольмием, теллуром,висмутом, выше в пределах указанных добавок, мас. : азот 0,09-0,25; цирконий .

0,15-0,35; гольмий 0,05-0,30; теллур

0,15-0,40; висмут 0,05-0,40.

Комплексное легирование стали висмутом и гольмием приводит к измельчению структуры и вызывает благоприятное перераспределение основных легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой. Висмут— сильный поверхностно-активный элемент располагаясь при кристаллизации rio границе раздела жидкой и твердой фаз, 1507843 препятствует росту первичных зерен.

Вследствие размельчения дендритной структуры твердого раствора эвтектические колонии эвтектических систем

5 становятся меньших размеров, образующие их карбиды дисперсны и стремятся к округлой форме. Наряду с этим оба элемента оказывают рафинирующее влияние на сталь, уменьшая количество не- 10 металлических включений, их размеры и переводят их в устойчивую глобулярную форму, Комплексное легирование гольмием и цирконием способствует снижению 15 чувствительности стали к перегреву при высоких температурах нагрева, что а позволяет повысить почти на 50 С температуру закалки и перевести в твердый раствор аустенита значительно 20 больше труднорастворимых в нем карбидов ванадия, молибдена, вольфрама, хрома, участвующих в повьппении износостойкости и режущих свойств.

При комплексном легировании стали гольмием и теллуром образуются теллуридные включения, представляющие собой твердый раствор. Внутри теллуридов находятся окислы гольмия, выполняющие йункцию затравки при кристал- 30 лизации включений, При этом работа образования зародьппей критических размеров уменьшается, число центров кристаллизации растет, микроструктура измельчается, понижается поверхностное натяжение, повьппается растворимость фаз.

Предлагаемую лигатуру получают в опы н |-промьипленных условиях путем, сплавления вольфрамомолибденкобальто- 40 вых отходов„ феррохрома и феррованадия с содержанием азота и циркония в однотонной индукционной электропечи.

Изготавливают 6 предлагаемых сос- 45 тавов лигатур с различным содержанием инградиентов и один известный.

Содержание легирующих элементов в составах приведено в табл.2.

Лигатуру в количестве З от веса плавки присаживают в печь в жидкий металл в восстановительный период при 1700220 С. Недостающее количество легирующих элементов вводят в печь из соответствующих ферросплавов.

Остаточное содержание легирующих элементов в составах быстрорежущей стали, выплавленной с использованием предлагаемой лигатуры, приведено в табл.3.

При испытаниях на кручение при

1140 и 1180 С число оборотов до разрушения образцов (тип К-1 .по ГОСТУ

3565-68) из предлагаемой стали в

1,5 раза больше по сравнению с образцами из известной стали. Это обеспечивает более высокий выход годного металла при металлургическом переделе с использованием предлагаемой лигатуры.

Далее на машине ИМ-ЧА проводили испытания изделий из опытной стали на изгиб и прогиб в закаленном и отпущенном состояниях.

Твердость опытной стали определяли также в двух состояниях: закаленном и отпущенном.

Результаты испытаний приведены в табл.4.

Анализ результатов испытаний опытной стали, выплавленной с использованием предлагаемой лигатуры, на изгиб и прогиб в закаленном и отпущенном состояниях показал, что самая высокая прочность стали,легированной азотом,цирконием, гольмием, теллуром, висмутом, достигается в пределах этих добавок, мас.7: азот

0,09-0,25; цирконий 0,15-0,35; гольмий 0,05-0,30; теллур 0,15-0,40;висмут 0 05-0,40.

Анализ результатов испытаний опытной стали на твердость показал увеличение твердости выплавленной стали с использованием предлагаемой лигатуры. Это значительно улучшает износостойкость инструмента, особенно при повьппенной твердости обрабатываемого материала. Кроме того, оценивали износостойкость инструментов иэ стали

12Х18Н10Т и титанового сплава ВТ5, выплавленных С использованием предлагаемой лигатуры.

Результаты испытаний представлены в табл.5 (V — скорость резания,м/мин; — глубина резания,мм; $ - подача на 1 оборот, мм/об, мм/зуб).

Результаты испытаний показали, что износостойкость, а следовательно, режущие свойства инструментов, изготовленных из стали, выплавленной с использованием предлагаемой лигату10

1507843

Т а б л и ц а 1

Жидкотекучесть (спиральная проба при

1530+

+10 0С), Технологическая пластичность при 20 С в состоянии о з акалки

Ударноусталостная

Горячая пластичность

Ударная вязкость

МДж/м

Состав прочность при экергии едипри кручении

1 при

l 1401180 С), количество обоИаксймально допустимая стеОтносител.ное сужение,%

Относителькое удлинение, % ничного удара

5,1 кгс/смь число удаоов пень деформации,7 ротов

4-6

1 0-12

12-13

13-14

14-16

13 — 15

11 — 12

540

8-9

1? -15

l5-16

15-17

16-17

15-16

13-14

84

93

94

2,6

3,5

4 2

4,6

4,8

4,7

3,8

32800

1 0,13

2 0,17

3 0,234 0,24

5 0,26

6 0,25

7 0,18 ры, вьппе в пределах добавок,мас.%: азот 0,09-0,25; цирконий 0,15-0,35; гольмий 0,05-0,30; теллур 0,15-0,40; висмут 0,05-0,40, 5

Как показали испытания, износостойкость инструментов, изготовленных из стали, выплавленной с использованием предлагаемой лигатуры, легированной азотом, цирконием, гольмием, 10 теллурбм ь висмутом „значительно вьппе износостойкости инструментов без этих добавок.

Твердость инструментальной стали, выплавленной с использованием предла- 15 гаемой лигатуры, выше твердости стали, выплавленной с использованием известной лигатуры.

Аналогичные результаты получены при испытании опытной стали, выплав- 20 ленной с использованием предлагаемой лигатуры, на изгиб, прогиб, ударную вязкость,ударно-усталостную прочность, горячую пластичность при кручении, 25 технологическую пластичность, жидкотекучесть.

При испытаниях на кручение при 1140 о и 1180 С число оборотов до разрушения образцов (тип К-1 r. ГОСТУ 3565-68) из стали, выплавлекнои с ислользова30 нием предлагаемой лигатуры в 1,5 раза больше по сравнению с образцами из стали с использованием известной лигатуры. Это обеспечивает более вы" соккй выход годного металла при металлургическом переделе предлагаемой лигатуры.

Формула и з о б р е т е н и я

Лигатура для выплавки, раскисления, легировакия и модифицирования вольфрамомолибденкобальтовой стали для режущего инструмента,соцержащая углерод, хром, вольфрам, молибден, кобальт, Bанадий, кремнийьахпэминийь железо, отличающаяся тем. что, с целью повьппения прочности, твердости, техкологической пластичности, изкосост йкости режущего инструментаь она дополнительно содержит азот, цирконий, олыжй, теллур, висмут при следующем соотношении компонентов,мас.%:

Углерсд 0,5 — 2,5

Хром 0,5 — 5,0

Вольфрам 5,0 — 25,0

Молибден 2,0 — 15,0

Ко балы 0,5 — 15,0

Ванадий 0,5 — 5,0

Кремкич 0,3 — 2,0

Алюминий 0,3 — 1,2

Азот 2,5 — Зь5

Цирконий 1,0 — 2,5

Гольмий 0,5 — 8,0

Теллур ь0 Оь

Висмут 0,5 — 10,0

Железо Остальное

1507843

Таблица 2

Содержание элементов в лигатуре> мас.X

Cr W Мо Со Ч Si Al N

СосС Ег Но Те Bi Fe тав

1 0,3 0,3 4,0 1,0 п 3 O 2 0 2 O 2

Осталь0,4 4,5

0,5 5,0

2,0 10,0

3,0 15,0

5,0 25,0 бе 0 3070

0,25 0,25 1,5

0,3 0,3 2,5

1ю0 Оэ5 218

1,0 3,0 2,0

2,0 1,2 3,5

3,0 1,5 4,0

1 ° 5 0 4

2,0 0 5

5,0 5,0

10,0 3,0

15,0 15,0

18,0 20,0

0,5 0,2

1,0 0,5

1,5 3,0

2,0 5,0

2,5 8,0

3,0 10,0

Таолица3

Сос- Остаточкое содержание элементов в стали, нас.X

" "Л

У мо (С ! ) б )41 1 Я ) 2JН ГЯ В J Р

0,83- 3,5

0,84 3,6

0,85 3,8

0,90 4,0

0,93 4,1

0,95 4,3

0,98 4,4

0,2

0 25

0,3

0,35

2,1

0 4

0,45

4,5 4,5

4,6 4,6

4,8 4,8

5,1 5,1

5,2 5,2

5 3 5 3

5,4 5,4

0, 2

0,25 0,07

0,3 0,09

0,5 О, 15

0,38 1,0

I 2 0,25

1 ° 5 0,30

Остальное

То хе

0i l 2 Ai02

0,15 0,05

0,20 0, 15

0,20 0,25

0 35 0 30

0,40 0,35 и и

° I

1t е „

Таблица4

Твердость HRC после отпуска

СосПредел прочности на.изгиб, NIIa

Прогиб, м тав после закалки после отпуска после з акалки после после закалки отпуска при 5600с при 620 0

3 раза 4 ч по 1 ч

1,7х10 3

1, 73х10

1,76х10

1,78х10 3

1,77х10 3

l,75õ10

1,74xl00

10 65э5

103 65 8

10-3 66 3

10 66,5

10 3 66,6

10 3 66,4

10 66,0

68,0

68,3

68,5

69,0

69,5

69,3

68,4

2,6 х

1 63 х

2,65 х

2,70 .х

2,71 х

2,68 х

2,64 х

2 0,4

3 0 5

4 1,0

5 2,0

6 2,5

7 3,0

1 1680

2 1760

3 1800

4 1830

5 1850

6 1845

7 1780

5 6

5,8

6,0

6,3

6>4

6 5

6,6

3300

1,6

1,7

1 ° 7

2i0

5,2

2,2

2,3

0,4

0 5

1,5

1,5

5,0

7,0

О, Ià

0 l5

0,20

0,30

0,40

0,45

0,5

1,0

3,0

5,0

10,0

15 0

0,03

0,05

0,15

0 ° 30

0,40

0,45 ное

0,4 То же

3,0--"5 0

10,0 - л

15060,0

60,5

61,0

61,3

61,5

61,4

60,8

13

1507843

Т а б л и ц а 5

I !

Показатели стойкости режущих инструментов при обработке, мин "

Состав

Титановый сплав ВТ5

Сталь 12Х18Н10Т

Точение (проходной резец) Ч 12,5 м/мин

S=0 14 мм/об

Ч=31 м/мин Ч=25 м/мин

-й

17 м/мин

Я зв

=0,25 мм/

/зуб

t--0,5 мм

S--O, 31 5мм/

/зуб

1=0,5 мм

t=O 5 мм Среднее значение свойств по 7 опытам

Составитель И.Бекренева

Техред И. Верес Корректор В Гирняк

Редактор А.Orap

Заказ 5522/32 Тираж 576 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета ло изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, W-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101

Фрезерование (однозубая фреза) 40,4

48,2

48,7

49,8.

50,1

50,0

48,4

Точение (проходной резец) S

=0,14 мм/

/об

t=0,5 мм

17,0

20,)

21,8

22,7

-22, 9

22,3

20 5

Фрезерование (однозу бая фреза) 33,6

42,2

43,3

43,7

44,1

44,0

42,7

24, 5

30,4

30,7

30,9

31,0

30,8

30,6