CN109415793B

CN109415793B - 用于工具保持件的钢

Info

Publication number: CN109415793B
Application number: CN201780040527.9A
Authority: CN
Inventors: 彼得·达姆; 莱娜·罗伦; 阿曼达·福斯贝里; 维多利亚·贝尔格奎斯特; 里卡尔多·赞凯塔
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2037-06-07
Also published as: US20190226059A1; EP3478867A4; EP3478867A1; RU2738219C2; BR112018076330B1; KR20190071670A; WO2018004419A1; JP6956117B2; TWI756226B; MX2018016214A; TW201819651A; PT3478867T; CA3029542A1; RU2019102410A; RU2019102410A3; EP3478867B1; KR102401049B1; CA3029542C; US11085108B2; JP2019527292A

Abstract

本发明涉及用于工具保持件的钢。所述钢包含以下主要组分(以重量％计)：C 0.07至0.13、Si 0.10至0.45、Mn 1.5至3.1、Cr 2.4至3.6、Ni 0.5至2.0、Mo 0.1至0.7、Al 0.001至0.06、S＜0.003。所述钢具有包含最多至20体积％的残余奥氏体和最多至20体积％的马氏体的贝氏体显微组织。

Description

用于工具保持件的钢

技术领域

本发明涉及用于工具保持件(tool holder)的钢。特别地，本发明涉及适用于制造用于可转位刀片切割工具的大型工具保持件的钢。

背景技术

术语工具保持件意指在切割操作时工具的活动部分安装在其上的本体。典型的切割工具体是铣削体和钻体，其设置有高速钢、硬质合金、立方氮化硼(CBN)或陶瓷的活动切割元件。在指定的保持件钢领域内，这种切割工具体的材料通常是钢。

切割操作在高切割速度下进行，这意味着切割工具体可能变得非常热，因此材料在升高的温度下具有良好的热硬度和抗软化性是重要的。为了承受某些类型的切割工具体(例如铣削体)所经受的高脉动载荷，所述材料必须具有良好的机械特性，包括良好的韧性和疲劳强度。为了改善疲劳强度，通常在切割工具体的表面中引入压缩应力。因此，所述材料应具有良好的在高温下保持所述施加的压缩应力的能力，即良好的抗松弛性。切割工具体是经韧化硬化调质的，而夹持元件所应用的表面可以是经感应硬化的。因此，所述材料应当可以通过感应硬化来硬化。某些类型的切割工具体(如具有焊接的硬质合金尖部的某些钻体)在硬化之后用PVD涂覆或经受渗氮以增加对容屑槽(chip flute)中和钻体上的切屑磨损的抗性。因此，所述材料应当可以在表面上用PVD涂覆或经受渗氮而硬度没有任何显著降低。

通常，使用低合金工程钢和中合金工程钢如1.2721、1.2738和SS2541作为用于切割工具体的材料。

还已知使用热加工工具钢作为用于切割工具保持件的材料。WO 97/49838和WO2009/116933公开了热加工工具钢用于切割工具保持件的用途。目前，Uddeholms AB提供了两种用于切割工具体的常用热加工工具钢并且以UDDEHOLM

和UDDEHOLM

的名称销售。所述钢的标称组成在表1中给出(重量％)。

表1

这些类型的热加工工具钢对于作为切割刀具保持件的预期用途具有非常好的特性。特别地，这些钢具有高热强度和良好机械加工性的组合。

发明内容

本发明的目的是提供具有改善的特性分布的用于工具保持件的钢。

另一个目的是提供还具有大尺寸的均匀特性并且被优化用于大型工具保持件的用于工具保持件的钢。

对于大型工具保持件，冲击韧性、化学和显微组织均匀性以及低含量的非金属夹杂物是重要的参数，而热强度不太受关注，因为大型工具保持件的工作温度显著低于较小的工具保持件。此外，需要良好的焊接特性使得钢可以在没有预热和后加热的情况下进行焊接。

上述目的以及另外的优点在很大程度上通过提供具有如权利要求中所述的组成和显微组织的钢来实现。特别地，高且均匀的硬度与高韧性相结合使钢具有良好的轴承座阻力(chock resistance)和最小的意外故障的风险，产生更安全的工具保持件和延长的工具寿命。

本发明限定于权利要求中。

本发明的钢以重量％计(wt.％)由以下组成：

任选的

除杂质外余量的Fe，并且该钢具有包含最多至20体积％的残余奥氏体和最多至20体积％的马氏体的贝氏体显微组织。

钢可以满足以下要求：

任选的

和残余奥氏体2体积％至20体积％。

钢还可以满足以下要求中的至少一个：

任选的

和残余奥氏体5体积％至10体积％。

在一个特别优选的实施方案中，钢包含：

可以调节显微组织使得残余奥氏体的量为4体积％至15体积％和/或马氏体的量为2体积％至16体积％。优选地，残余奥氏体的量为4体积％至12体积％和/或马氏体的量为4体积％至12体积％。更优选地，残余奥氏体的量为5体积％至9体积％和/或马氏体的量为5体积％至10体积％。

硬度可以是38HRC至42HRC和/或360HBW_10/3000至400HBW_10/3000，并且钢的平均硬度可以在360HBW_10/3000至400HBW_10/3000的范围内，其中钢的厚度为至少100mm，并且根据ASTM E10-01测量的厚度方向上的与平均布氏硬度值的最大偏差小于10％、优选小于5％，并且其中压痕的中心距试样的边缘或另一压痕的边缘的最小距离应当为压痕的直径的至少2.5倍并且最大距离应当不大于该压痕的直径的4倍。

钢的洁净度可以具有满足根据ASTM E45-97方法A的关于渣微粉(micro-slag)的以下最大要求：

A

B

C

D

T

H

T

H

T

H

T

H

1.0

0

1.5

1.0

0

1.5

1.0

具体实施方式

下面简要说明单独的元素及其彼此相互作用的重要性以及所要求保护的合金的化学成分的限制。在整个说明书中，钢的化学组成的所有百分比均以重量％(wt.％)给出。硬质相的量以体积％(vol.％)给出。各元素的上限和下限可以在权利要求中所述的限度内自由组合。

碳(0.07％至0.13％)

碳有效地提高钢的强度和硬度。然而，如果含量太高，则钢在从热加工冷却之后可能难以加工，并且补焊变得更加困难。C存在的最小含量应为0.07％，优选至少0.08％、0.9％或0.10％。碳的上限为0.13％并且可以设定为0.12％、0.11％或0.10％。优选的范围是0.08％至0.12％，更优选的范围是0.085％至0.11％。

硅(0.10％至0.45％)

硅用于脱氧。Si以溶解的形式存在于钢中。Si是一种强铁素体形成元素并且使碳活性增加，并因此增加形成不期望的碳化物的风险，这负面地影响冲击强度。硅还容易发生界面偏析，这可能导致韧性和耐热疲劳性降低。因此Si限制为0.45％。上限可以是0.40％、0.35％、0.34％、0.33％、0.32％、0.31％、0.30％、0.29％或0.28％。下限可以是0.12％、0.14％、0.16％、0.18％或0.20％。优选的范围是0.15％至0.40％和0.20％至0.35％。

锰(1.5％至3.1％)

锰有助于提高钢的淬透性。如果含量太低，则淬透性可能太低。在较高的硫含量下，锰防止钢的热脆性。因此，锰存在的最小含量应当为1.5％，优选至少1.6％、1.7％、1.8％、1.8％、1.9％、2.0％、2.1％、2.2％、2.3％或2.4％。钢应当包含最多3.1％，优选最多3.0％、2.9％、2.8％或2.7％。优选的范围是2.3％至2.7％。

铬(2.4％至3.6％)

铬以至少2.4％的含量存在，以在热处理期间提供较大截面的良好淬透性。如果铬含量太高，则这可能导致形成高温铁素体，这降低了可热加工性。下限可以是2.5％、2.6％、2.7％、2.8％或2.9％。上限是3.6％并且可以是3.5％、3.4％、3.3％、3.2％或3.1％。优选的范围是2.7％至3.3％。

镍(0.5％至2.0％)

镍赋予钢良好的淬透性和韧性。镍还有利于钢的机械加工性和抛光性。如果镍含量超过2.0％，则淬透性可能不必要的高。因此，上限可以是1.9％、1.8％、1.7％、1.6％、1.5％、1.4％、1.3％、1.2％或1.1％。下限可以是0.6％、0.7％、0.8％或0.9％。优选的范围是0.85％至1.15％。

钼(0.1％至0.7％)

已知Mo对淬透性具有非常有利的影响。钼对于获得良好的二次硬化响应是必需的。最小含量是0.1％并且可以是0.15％、0.2％、0.25％或0.3％。钼是一种强碳化物形成元素并且也是一种强铁素体形成元素。因此钼的最大含量是0.7％。优选地Mo限制为0.65％、0.6％、0.55％、0.50％、0.45％或0.4％。优选的范围是0.2％至0.3％。

铝(0.001％至0.06％)

铝可以与Si和Mn组合用于脱氧。下限可以设定为0.001％、0.003％、0.005％或0.007％以确保良好的脱氧。上限限制为0.06％以避免不期望的相(例如AlN)析出。上限可以是0.05％、0.04％、0.035％、0.03％、0.02％或0.015％。

钒(0.01％至0.2％)

钒在钢的基体中形成均匀分布的初生析出碳化物和V(N,C)型碳氮化物。这种硬质相也可以表示为MX，其中M主要是V，但可以存在Cr和Mo，X是C、N和B中的一者或更多者。因此钒可以任选地存在以增强耐回火性。然而，在高含量下，机械加工性和韧性劣化。因此，上限可以是0.15％、0.1％、0.08％、0.06％或0.05％。

氮(0.006％至0.06％)

可以任选地将氮调节至0.006％至0.06％以获得期望类型和期望量的硬质相(特别是V(C,N))。当氮含量与钒含量适当平衡时，将形成富钒的碳氮化物V(C,N)。它们将在奥氏体化步骤期间部分溶解，然后在回火步骤期间作为纳米尺寸的颗粒析出。认为钒碳氮化物的热稳定性优于钒碳化物的热稳定性，因此可以改善工具钢的耐回火性并且增强在高奥氏体化温度下的抗晶粒生长性。下限可以是0.011％、0.012％、0.013％、0.014％、0.015％、0.016％、0.017％、0.018％、0.019％或0.02％。上限可以是0.06％、0.05％、0.04％或0.03％。

钴(≤8％)

Co是任选的元素。Co引起固相线温度升高并因此提供了提高硬化温度的机会，该硬化温度可以比没有Co的情况高15℃至30℃。因此在奥氏体化期间，可以溶解更大比例的碳化物，从而提高淬透性。Co还使M_s温度增大。然而，大量的Co可能导致韧性和耐磨性降低。如果添加的话，最大量为8％，并且有效量可以是2％至6％、特别是4％至5％。然而，出于实用的原因，例如废料处理，不进行Co的有意添加。然后最大杂质含量可以设定为1％、0.5％、0.3％、0.2％或0.1％。

钨(≤1％)

原则上，由于其化学相似性，钼可以由两倍的钨替代。然而，钨是昂贵的并且其还使废金属的处理复杂化。因此，最大量限制为1％、0.7％、0.5％、0.3％或0.15％。优选地，不进行有意添加。

铌(≤0.05％)

铌与钒的相似之处在于其形成M(N,C)型碳氮化物，并且原则上可以用于代替部分钒，但与钒相比需要双倍量的铌。然而，Nb产生形状更加多角的M(N,C)。因此最大量为0.05％、0.03％或0.01％。优选地，不进行有意添加。

Ti、Zr和Ta

这些元素是碳化物形成元素，并且可以以要求保护的范围存在于合金中以改变硬质相的组成。但是，通常不添加这些元素。

硼(≤0.01％)

B可以任选地使用以进一步提高钢的硬度。量限制为0.01％，优选为≤0.005％。任选地添加的B的优选范围是0.001％至0.004％。

Ca、Mg和REM(稀土金属)

这些元素可以以要求保护的量添加到钢中，以对非金属夹杂物进行改性和/或用于进一步改善机械加工性、可热加工性和/或可焊性。

杂质元素

P、S和O是对钢的机械特性具有负面影响的主要非金属杂质。因此P可以限制为0.05％、0.04％、0.03％、0.02％或0.01％。S限制为0.003％，可以限制为0.0025％、0.0020％、0.0015％、0.0010％、0.0008％或0.0005％。O可以限制为0.0015％、0.0012％、0.0010％、0.0008％、0.0006％或0.0005％。

铜无法从钢中提取。这极大地使废料处理更加困难。因此，不使用铜。Cu杂质量可以限制为0.35％、0.30％、0.25％、0.20％、0.15％或0.10％。

氢(≤0.0005％)

已知氢对钢的特性具有有害影响并且在加工期间引起问题。为了避免与氢有关的问题，使钢水经受真空脱气。上限为0.0005％(5ppm)，并且可以限制为4ppm、3ppm、2.5ppm、2ppm、1.5ppm或1ppm。

钢生产

具有所要求保护的化学组成的工具钢可以通过常规冶金来生产，包括在电弧炉(EAF)中熔融和进一步的钢包精炼和真空处理和铸造成锭。然后，优选在保护气氛下，使钢锭经受电渣重熔(ESR)以进一步改善洁净度和显微组织均匀性。

使钢在使用前经受硬化。奥氏体化可以在850℃至950℃、优选880℃至920℃范围内的奥氏体化温度(T_A)下进行。典型的T_A为900℃，保持时间为30分钟随后缓慢冷却。冷却速率由钢经受800℃至500℃的温度范围的时间(t_800/500)来限定。在该间隔中的冷却时间t_800/500通常应在4000秒至20000秒的间隔内，以获得期望的具有少量残余奥氏体和马氏体的贝氏体显微组织。这通常会产生38HRC至42HRC范围内的硬度和/或360HBW_10/3000至400HBW_10/3000的布氏硬度。布氏硬度HBW_10/3000用10mm直径的碳化钨球和3000kgf(29400N)的载荷进行测量。

当钢的厚度为至少100mm时，则根据ASTM E10-01测量的厚度方向上的与平均布氏硬度值的最大偏差小于10％，优选小于5％，其中压痕的中心距试样的边缘或另一压痕的边缘的距离应当为压痕的直径的至少2.5倍并且最大值应当不大于该压痕的直径的4倍。

本发明的钢具有均匀的硬度，原因是已经优化了组成以减少介观偏析(meso-segregation)，介观偏析可以在厚度为至少100mm的所有类型的锭中形成。介观偏析通常被称为A型偏析、V型偏析和通道型偏析，并且可以在厚度为至少100mm的所有锭中形成。偏析区域具有细长形状和10mm量级的非恒定厚度。随着锭尺寸的增加以及随着重合金元素如Mo(10.2g/cm³)和W(19.3g/cm³)的量的增加，介观偏析的量增加。这些偏析的尺寸使得均质化变得困难并且导致锻造和/或热轧产物中的带状结构。显微组织中带的尺寸取决于压下量程度。高程度的压下量导致较小的带宽度。

实施例

在该实施例中，通过EAF熔融、钢包精炼和真空脱气(VD)随后在保护气氛下ESR重熔来生产具有以下组成的钢(以重量％计)：

余量为铁和杂质。

将钢浇铸成锭并经受热加工以生产截面尺寸为1013mm×346mm的铸锭(block)。

使钢在900℃下进行奥氏体化30分钟并通过缓慢冷却而硬化，冷却时间(t_800/500)为约8360秒。这导致平均硬度为365HBW_10/3000。如根据ASTM E10-01测量的，发现厚度方向上的与平均布氏硬度值的最大偏差小于4％，其中压痕的中心距试样的边缘或另一压痕的边缘的最小距离是该压痕的直径的3倍。根据SS-EN ISO148-1/ASTM E23，使用标准夏氏V型测试来测量LT方向上的平均冲击能。6个试样的平均值为32J。残余奥氏体的量估计为约7体积％。

根据ASTM E45-97方法A针对渣微粉来检查钢的洁净度。结果示于表1中。

A

B

C

D

T

H

T

H

T

H

T

H

0

1.0

0.5

0

1.0

0.5

表1.洁净度测量结果

该实施例表明，通过在保护气氛下在ESR单元中重熔可以制备具有高且均匀的硬度、高韧性和高纯度的大钢锭。

工业实用性

本发明的钢特别适用于需要高韧性和均匀硬度的大型工具保持件。

Claims

1.一种用于工具保持件的ESR重熔钢，以重量％(wt.％)计由以下组成：

任选的

除杂质外余量为铁

其中所述钢具有包含最多至20体积％的残余奥氏体和最多至20体积％的马氏体的贝氏体显微组织，以及其中洁净度满足根据ASTM E45-97方法A的关于渣微粉的以下最大要求：

A A B B C C D D T H T H T H T H 1.0 0 1.5 1.0 0 0 1.5 1.0

。

2.根据权利要求1所述的钢，满足以下要求：

任选的

以及

残余奥氏体2体积％至20体积％。

3.根据权利要求1或2所述的钢，满足以下要求中的至少一个：

任选的

以及

残余奥氏体5体积％至10体积％。

4.根据权利要求1或2所述的钢，包含：

5.根据权利要求1或2所述的钢，其中残余奥氏体的量为4体积％至15体积％和/或马氏体的量为2体积％至16体积％。

6.根据权利要求1或2所述的钢，其中残余奥氏体的量为4体积％至12体积％和/或马氏体的量为4体积％至12体积％。

7.根据权利要求1或2所述的钢，其中残余奥氏体的量为5体积％至9体积％和/或马氏体的量为5体积％至10体积％。

8.根据权利要求1或2所述的钢，硬度为38HRC至42HRC和/或360HBW_10/3000至400HBW_10/3000。

9.根据权利要求1或2所述的钢，平均硬度在360HBW_10/3000至400HBW_10/3000的范围内，其中所述钢的厚度为至少100mm，根据ASTM E10-01测量的厚度方向上的与平均布氏硬度值的最大偏差小于10％，并且其中压痕的中心距试样的边缘或另一压痕的边缘的最小距离应当为所述压痕的直径的至少2.5倍并且最大距离应当不大于所述压痕的直径的4倍。

10.根据权利要求1或2所述的钢，平均硬度在360HBW_10/3000至400HBW_10/3000的范围内，其中所述钢的厚度为至少100mm，根据ASTM E10-01测量的厚度方向上的与平均布氏硬度值的最大偏差小于5％，并且其中压痕的中心距试样的边缘或另一压痕的边缘的最小距离应当为所述压痕的直径的至少2.5倍并且最大距离应当不大于所述压痕的直径的4倍。