RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 1548137 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 17.12.2004 04029954.7 (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 07.02.2007 Europejski Biuletyn Patentowy 2007/06 EP 1548137 B1 (13) T3 (51) Int. Cl. C22C29/06 C22C29/08 C22C29/00 (2006.01) (2006.01) (2006.01) (54) Tytuł wynalazku: Zastosowanie stopu twardego lanego do narzędzi (30) Pierwszeństwo: AT20030091120U 22.12.2003 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 29.06.2005 Europejski Biuletyn Patentowy 2005/26 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: 31.07.2007 Wiadomości Urzędu Patentowego 07/2007 (73) Uprawniony z patentu: CERATIZIT Austria Gesellschaft m.b.h., Reutte, AT PL/EP 1548137 T3 (72) Twórca (y) wynalazku: Schretter Michael, Ehrwald, AT Falger Daniel, Weissenbach, AT (74) Pełnomocnik: Przedsiębiorstwo Rzeczników Patentowych Patpol Sp. z o.o. rzecz. pat. Nowakowski Janusz 02-770 Warszawa 130 skr. poczt. 37 Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
V1044PL00/N 2 EP 1 548 137 B1 Opis ]0001] Wynalazek dotyczy zastosowania narzędzia ze stopu twardego lanego do obróbki plastycznej przedmiotów wykonanych ze stali w temperaturze obróbki plastycznej powyżej 600 C. [0002] Narzędzia do obróbki plastycznej materiałów w podwyższonych temperaturach są poddawane wysokim obciążeniom mechanicznym, termicznym i trybologicznym. Zastosowane temperatury obróbki plastycznej zależą od rodzaju materiału poddawanego obróbce plastycznej i sposobu kształtowania plastycznego i w przypadku mosiądzu wynoszą około 600 C, w przypadku stali powyżej 800, a w przypadku szkła wynoszą około 1300 C. Istotnymi sposobami kształtowania plastycznego w podwyższonych temperaturach jest przykładowo ciśnieniowa i rozciągająca obróbka plastyczna, wyciskanie, walcowanie i ciągnienie. Podczas kształtowania plastycznego w podwyższonych temperaturach, oprócz ogólnego zużycia narzędzia do obróbki plastycznej, w wielu przypadkach dochodzi do złamania narzędzia, które jest wywołane pękaniem na gorąco, szokiem termicznym i zużyciem adhezyjnym. [0003] W przeszłości, jako materiał do tego rodzaju narzędzi do obróbki plastycznej w wielu przypadkach stosowano wysokowartościową, hartowaną stal narzędziową. Jednak narzędzia do obróbki plastycznej z tego materiału posiadały jedynie stosunkowo krótką trwałość. Dlatego też próbowano wytworzenie części narzędzi do obróbki plastycznej lub całego narzędzia do obróbki plastycznej ze stopu twardego, przy czym w pierwszym rzędzie używano stopów twardych na bazie węglika wolframu ze spoiwem kobaltowym, kobaltowo-niklowym lub kobaltowo-niklowo-chromowym. Jednak również w przypadku zastosowania tych stopów, trwałość narzędzi do obróbki plastycznej polepszono tylko w niedostatecznej mierze. [0004] Przyczyną tego było to, że stopy twarde lane w temperaturze powyżej 600 C utleniają się z powietrzem, a w spoiwie tworzą się zgorzeliny, wskutek czego jest ono osłabione. Ponadto, kobalt w stopie twardym ma skłonność do utwardzania się i kruszenia, wskutek czego zmniejsza się wytrzymałość międzykrystaliczną. Z tego powodu zwiększa się wrażliwość na zarysowania. Ponadto dochodzi do tego, że podczas obróbki plastycznej w podwyższonych temperaturach, przy postępującej zmianie kształtu przedmiotu poddawanego obróbce plastycznej, obciążenie narzędzi jest skrajnie wysokie. Z reguły znane stopy twarde lane są niekorzystne z tego powodu, że w czasie przebiegu obróbki plastycznej nie są one w stanie przyjmować występujących naprężeń. [0005] W opisie EP 0 062 311 B1 opisany jest stop twardy lany na części do kształtowania na gorąco na bazie węglika wolframu z fazą wiążącą, składającą się z chromu, glinu, niklu i kobaltu i do wyboru z niewielkimi ilościami molibdenu, boru i cyrkonu, przy czym faza wiążąca zawiera drobne cząsteczki wydzielonej fazy γ Ni 3 Al. Jednak ten stop twardy lany jeszcze nie zawsze posiada wystarczająco korzystną odporność na zużycie w wysokiej temperaturze i ze względu na fazę γ w spoiwie, jego wytwarzanie jest związane z wyższymi nakładami niż ma to miejsce w przypadku tradycyjnych stopów twardych lanych bez takiej fazy. [0006] W opisie DE 24 02 518 A1 jest opisany stop twardy lany, składający się z 91 do 97% wagowych węglika wolframu, reszta spoiwo, przy czym spoiwo składa się z 8 do 20% wagowych niklu, 5 do 15% wagowych kobaltu, 0,8 do 1,4% wagowych węgla, reszta żelazo.
3 [0007] Z opisu tego wynika jedynie wysoka odporność na ścieranie, jednak z opisu nie wnika żadna wskazówka, odnosząca się do przydatności tego stopu do zastosowań na ścieranie w podwyższonej temperaturze. [0008] W opisie US-A- 3 746 519 opisany jest stop twardy lany na bazie węglika wolframu z zawartością 10-50% wagowych spoiwa stalowego, które w zasadzie zawiera 4-30% wagowych niklu, do wyboru 1-15% wagowych kobaltu i 1-15% wagowych molibdenu i do wyboru 1-10% wagowych chromu. Szczególnie stop ma nadawać się do narzędzi do obróbki plastycznej na gorąco, a zwłaszcza do stempli do obróbki plastycznej na zimno do stopów miedź-nikiel. [0009] Zadaniem niniejszego wynalazku jest udostępnienie narzędzia ze stopu twardego lanego do obróbki plastycznej przedmiotów ze stali w temperaturze obróbki plastycznej powyżej 600, przy czym zastosowany stop, w porównaniu do znanych stopów, posiada znacznie lepszą odporność na zużycie i jest wytwarzany w sposób nieskomplikowany. [0010] Według wynalazku uzyskano to dzięki zastosowaniu stopu twardego lanego, zawierającego 75 do 95% wagowych fazy bardzo twardego materiału, składającej się w zasadzie z węglika wolframu, i 5 do 25% wagowych fazy wiążącej, która składa się w 60 do 80% wagowych z żelaza. [0011] W przypadku tego rodzaju stopów twardych lanych, występujące odkształcenie plastyczne, przy wystarczającej twardości, jest nadzwyczaj niewielkie. Ponadto posiada on bardzo korzystny współczynnik przewodności cieplnej oraz ponadprzeciętną ciągliwość, w celu przyjmowania naprężeń ścinających, jak również naprężeń termicznych. Dlatego też doskonale nadaje się do zgodnego z wynalazkiem zastosowania do narzędzi, w celu obróbki plastycznej przedmiotów wykonanych ze stali, w temperaturze obróbki plastycznej powyżej 600 C. [0012] Szczególnie zaskakujące i w żadnym razie nie do przewidzenia było to, że z powodu wysokiego udziału żelaza, stop posiada, konieczną do specjalnego zastosowania, odporność na zużycie w temperaturze obróbki plastycznej powyżej 600 C. Dalsze pierwiastki chemiczne, które znajdują się w fazie wiążącej, nie są już tak istotne, jednak korzystnie wchodzi tu w rachubę nikiel, w niewielkim udziałem kobaltu. Przy tym spoiwo może zawierać niewielkie udziały chromu, glinu, molibdenu, niobu, cyrkonu i/lub boru. Możliwe jest również całkowite zastąpienie niklu przez kobalt. [0013] Najlepsze właściwości zgodnego z wynalazkiem stopu twardego uzyskuje się z węglikiem wolframu jako fazą bardzo twardego materiału. Jednak możliwe jest również zastosowanie niewielkich udziałów innych bardzo twardych materiałów, przykładowo węglika tytanu, węglika tantalu lub węglika niobu, ponieważ dzięki temu w sposób nieistotny pogorszone zostaną bardzo dobre właściwości w wysokich temperaturach stopu twardego według wynalazku. [0014] Wytwarzanie stopu twardego lanego według wynalazku realizuje się za pomocą zwykłych w metalurgii proszków sposobów wytwarzania poprzez prasowanie sproszkowanych materiałów wyjściowych i następujące bezpośrednio potem spiekanie w zakresie temperatury 1.350 1.450 C. [0015] Jako szczególnie korzystne stopy okazały się stopy z fazą bardzo twardego materiału w zakresie 80 do 90 wagowych i z fazą wiążąca stanowiącą 10 do 20 % wagowych. [0016] Także jako materiał wyjściowy do fazy bardzo twardego materiału, szczególnie sprawdził się w praktyce węglik wolframu o średniej wielkości ziarna w zakresie 1,5 do 6 μm. [0017] Ponadto, dla fazy wiążącej korzystne jest, gdy obok żelaza zastosowany jest jeszcze nikiel i kobalt. [0018] Szczególnie korzystny stop twardy lany do zastosowania według wynalazku jest taki, gdy faza wiążąca składa się z 70% wagowych żelaza, 20 % wagowych niklu i 10% wagowych kobaltu.
[0019] Poniżej wynalazek jest bliżej opisany na podstawie przykładu wykonania. Przykład wykonania 4 [0020] Ze stopu twardego lanego według wynalazku, składającego się z 88% wagowych węglika wolframu o średniej wielkości ziarna wynoszącej 3μm i 12% wagowych spoiwa, zawierającego 70% wagowych żelaza, 10% wagowych kobaltu i 20% wagowych niklu, wytworzono płytkowe próbki o trapezowym przekroju poprzecznym o wymiarach 28 x 6 mm i długości wynoszącej 28 mm. W tym celu zmieszano sproszkowane materiały wyjściowe, a mieszankę proszku sprasowano na prasie matrycowej przy ciśnieniu prasowania wynoszącym 180 MPa do postaci płytkowych półfabrykatów. Następnie sprasowanym półfabrykatom nadano wymiary końcowe za pomocą obróbki frezerskiej. Następnie próbki spiekano przez 60 minut w temperaturze 1.400 C. Po tym nastąpiło traktowanie gazem w postaci wodoru, przez 60 minut w temperaturze 900 C. [0021] Dla porównania, w ten sam sposób wytworzono próbki z różnych stopów twardych lanych, których skład różnił się od składu według wynalazku, a mianowicie: - ze stopu twardego lanego, składającego się z 94% wagowych węglika wolframu o średniej wielkości ziarna wynoszącej 6 μm, reszta kobalt, jako próbka 2 - ze stopu twardego lanego, składającego się z 95% wagowych węglika wolframu o średniej wielkości ziarna wynoszącej 0,8 μm, reszta kobalt, z dodatkiem 0,8% wagowych chromu, jako próbka 3 - stop twardy lany, składający się z 94% wagowych węglika wolframu o średniej wielkości ziarna wynoszącej 1,5 μm, reszta kobalt, z dodatkiem 4% wagowych węglika tytanu i 6% wagowych węglika tantalu,jako próbka 4 - stop twardy lany, składający się z 93% wagowych węglika wolframu o średniej wielkości ziarna wynoszącej 6 μm, reszta kobalt, z dodatkiem 0,7% wagowych węglika chromu, jako próbka 5 - stop twardy lany, składający się z 97% wagowych węglika wolframu o średniej wielkości ziarna wynoszącej 6 μm, reszta kobalt, z dodatkiem 0,7% wagowych węglika chromu, jako próbka 6 - stop twardy lany, składający się z 88% wagowych węglika wolframu o średniej wielkości ziarna wynoszącej 3 μm, reszta kobalt, jako próbka 7. [0022] W celu stwierdzenia właściwości różnych próbek, przeprowadzono następujące doświadczenie: Odpowiednio dwie próbki umieszczono jedna za drugą, po uprzednim zeszlifowaniu powierzchni górnej próbek i w drugiej płytce wykonano tylko jeden stopień o wysokości 0,2 mm. Na początku pierwszej płytki bez stopnia osadzono ogrzany indukcyjnie do temperatury 1.150 C, cylindryczny pręt ścieralny o średnicy 16 mm ze stali, o składzie X 55 CrMnNi, z dociskiem wynoszącym 2.700 N i za pomocą układu sanek, znajdujących się 40 mm nad powierzchnią górną umieszczonych jedna za drugą płytek, włącznie z wykonanym stopniem, przemieszczano go w wielu suwach. Przy tym rowki ścierane próbek były umieszczone prostopadle do kierunku przemieszczania ścieralnego pręta. [0023] W tablicy 1 zestawiono wartości w odniesieniu do twardości, ciągliwości i ścierania stalowego trzpienia, uzyskane z różnych próbek. Próbka numer Zawartość spoiwa % wag. Tablica 1 Twardość Vickersa HV Ciągliwość według Palmquista M Pam 1/2 Ścieranie trzpienia stalowego mm/2500 suwów 1 12 1.380 11,3 71 według wynalazku 2 6 1.510 11,5 61
3 4 5 6 7 5 5 1.990 8,95 64 6 1.690 9,25 56 7 1.520 9,75 64 3 1.200 7,2 71 12 1.090 17 65 [0024] W celu dalszej analizy próbek, za pomocą analizy EDX (analizy rentgenowskiej z dyspersją energii) zbadano reakcję odpowiedniego spoiwa ze stalą stopową ścieralnego pręta. Ponadto z próbek wykonano szlify wzdłużne, w celu przeprowadzenia oceny wrażliwości na zarysowania różnych próbek pod mikroskopem optycznym przy 1.000-krotnym powiększeniu. W końcu próbki badano jeszcze pod mikroskopem skaningowym i przeprowadzono analizy chemiczne. [0025] W odniesieniu do wysokiej zawartości spoiwa w porównaniu do próbki 7, stop twardy lany według wynalazku posiada nieoczekiwanie wysoką twardość, która z dostateczną pewnością uniemożliwia odkształcenia plastyczne, tworzenie się żłobków i napawania materiału. W porównaniu do próbek różnicowych 2 do 6, ciągliwość stopu według wynalazku jest praktycznie wszędzie lepsza, tylko w jednym przypadku w przybliżeniu równoważna. Tak więc stop według wynalazku posiada doskonałe wartości zarówno w odniesieniu do twardości, jak również w odniesieniu do ciągliwości. [0026] W przypadku badania w odniesieniu do wrażliwości na zarysowania, w przypadku stopu twardego lanego według wynalazku widoczne były tylko powierzchniowe niewielkie wyłomy w postaci płaskich brył o głębokości do maksymalnie 20 μm. W przypadku wszystkich pozostałych próbek, uszkodzenia sięgały aż do zakresu głębokości wynoszącego 40 μm do 100 μm, częściowo nawet poza ten zakres. [0027] Badania pod mikroskopem skaningowym i analizy chemiczne wykazały, że w spoiwie stopu twardego lanego według wynalazku również bezpośrednio na powierzchni górnej nie stwierdzono żadnych śladów stali. Tak więc podczas przesuwania się trzpienia stalowego po powierzchni górnej próbek nie nastąpiła dyfuzja stali do spoiwa. Tym samym możliwe jest korzystne zastosowanie stopu twardego lanego według wynalazku także w przypadku narzędzi do kształtowania plastycznego, które pracują bez smaru. Zastrzeżenia patentowe 1. Zastosowanie narzędzia ze stopu twardego lanego, zawierającego 75 do 95% wagowych fazy bardzo twardego materiału, składającej się w zasadzie z węglika wolframu, i 5 do 25% wagowych fazy wiążącej, która składa się w 60 do 80% wagowych z żelaza, do obróbki plastycznej przedmiotów wykonanych ze stali w temperaturze obróbki plastycznej powyżej 600 C. 2. Zastosowanie narzędzia według zastrz. 1, znamienne tym, że faza bardzo twardego materiału stanowi 80 do 90 wagowych, a faza wiążąca stanowi 10 do 20 % wagowych. 3. Zastosowanie narzędzia według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że jako materiał wyjściowy do fazy bardzo twardego materiału stosuje się węglik wolframu o średniej wielkości ziarna w zakresie 1,5 do 6 μm.
6 4. Zastosowanie narzędzia według jednego z zastrz. 1 do 3, znamienne tym, że reszta fazy wiążącej składa się z niklu i kobaltu 5. Zastosowanie narzędzia według zastrz. 4, znamienne tym, że faza wiążąca składa się z 70% wagowych żelaza, 20 % wagowych niklu i 10% wagowych kobaltu.