CN1097641C - 用于热加工工具的钢质材料 - Google Patents

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Abstract

用于热加工工具的钢质材料的合金成份主要由(%重量)：0.3-0.4C，0.2-0.8Mn，4-6Cr，1.8-3Mo，0.4-0.8V，余量的金属和非金属杂质组成，所述非金属杂质包括Si、N、P、S，它们的含量不超过下列的最大值：最多0.25Si，最多0.010N，最多10ppmO及最多0.010P。

Description

用于热加工工具的钢质材料
本发明涉及用于热加工工具的钢质材料。该工具比如是，在相当高的温度下使金属成形或对其加工的工具。
背景技术
术语“热加工工具”适用于大量的不同种类的，用于在相当高的温度下加工金属或使之成形的工具，比如，用于模铸的工具，如铸模、冷铁和型芯，浇口零件、烧嘴、喷射元件、活塞、压力舱等；用于挤压加工的工具，如铸模、模架、炉衬、承压垫和压杆、接轴等；用于热压的工具，如热压铝、镁、铜、铜合金和钢的工具；用于模制塑料的模具，如用于注塑、压塑和挤压的模具；以及其它类型旨在进行高温加工的工具，如用于热剪切、热套环/圈和磨损件的工具。有一些这类热加工工具用钢的质量标准，如AISI型A10-H19，还有一些市售的特种钢。表1列出了一些标准的和/或市售的热加工用钢。
表1.已知的热加工用钢的标称化学成份(％重量)
钢种     钢号  C   Si  Mn  Cr  Mo  W  Ni  V  Co Fe
W.nr1.2344/H13     1  0.40   1.0  0.40  5.3  1.4  -  -  1.0  - 余量
W.nr1.2365/H10     2  0.32   0.25  0.30  3.0  2.8  -  -  0.5  - 余量
W.nr1.2885/H10A     3  0.32   0.25  0.30  3.0  2.8  -  -  0.5  3.0 余量
W.nr1.2367     4  0.38   0.40  0.45  5.0  3.0  -  -  0.6  - 余量
W.nr1.2889/H19     5  0.45   0.40  0.40  4.5  3.0  -  -  2.0  4.5 余量
W.nr1.2888     6  0.20   0.25  0.50  9.5  2.0  5.5  -  -  10.0 余量
W.nr1.22731     7  0.50   1.35  0.70  13.0  -  2.1  13.0  0.7  - 余量
H42     8  0.60   0.30  0.30  4.0  5.0  6.0  -  2.0  - 余量
Com.1*     9  0.35   0.1  0.6  5.5  3.0  -  -  0.8  - 余量
Com.2*     10  0.32   0.3  0.6  5.1  2.6  -  -  0.7  - 余量
Com.3*     11  0.39   0.2  0.7  5.2  2.2  -  0.6  0.8  0.6 余量
W.nr1.2396     12  0.28   0.40  0.45  5.0  3.0  -  -  0.7  - 余量
W.nr1.2999     13  0.45   0.30  0.50  3.1  5.0  -  -  1.0  - 余量
QRO90*     14  0.39   0.30  0.75  2.6  2.25  -  -  0.9  - 余量
CALMAX*     15  0.28   0.60  0.40  11.5  -  7.5  -  0.55  9.5 余量
H11     16  0.40   1.0  0.25  5.3  1.4  -  -  0.4  - 余量
Com.4*     17  0.37   0.30  0.35  5.1  1.3  -  -  0.5  - 余量
Con.5*     18  0.35   0.17  0.50  5.2  1.6  -  -  0.45  - 余量
*以商标Uddeholm Tooling AB注册的市售的，非标准的钢，QRD90及CALMAX
对发明的陈述
本发明首先研究表1中的钢1-15。此研究表明：被研究的钢没有一种能满足上述不同应用领域提出的全部要求。因此，后来的工作致力于开发新的合金，它们主要用于轻金属模铸，用于对具有优于现有的已知钢的综合性能的新钢种有特别需求的应用领域。按照本发明，这种钢质材料的目的在于提供最优的淬透性和显微组织，以便在大的尺寸提供高水平的韧性和延展性。同时，不得有损于回火稳定性和高温强度。
本发明的目的尤其在于提供热加工用钢，它具有的化学成份使之能满足以下的要求：
-为得到高的生产率，它必须具有良好的加工性，
-它能按很大的规格制成，这指的是厚于，如760×410mm或大于φ550mm，
-其杂质含量应很低，
-它不应含任何初次碳化物，
-它应有良好的热处理特性，这尤其是指它应能够以中等高度的奥氏体化温度进行回火，
-它应有良好的淬透性，即，即使是按上述的很大的规格淬火，也能被淬透，
-它在热处理时是形状稳定的，
-它应有良好的回火稳定性，
-在上述的尺寸范围内它应有良好的韧性和延展性，
-它应有良好的高温强度，
-它应有良好的导热性，
-它没有过大的热膨胀系数，
-它有良好的涂覆PVD/CVD/渗氮的性能，
-它应有良好的电火花腐蚀性能、良好的切削和焊接性能，
-它应有有利的造价。
本发明的钢质材料满足以上的条件，原因是：首先，该钢合金所具有的基本成份使之能经受处理，从而产生的显微组织具有均匀地分布于基体内的碳化物，该组织使成品工具适于经受进一步的热处理；其次，具有此基本成份的该钢质材料还具有规定的低含量的Si(Si在本发明的钢中被视为杂质)，和含量很低的非金属杂质N，O，P和S。非金属杂质，如S，P，O和N对很多钢，有负面影响，尤其是对钢的韧性有负面影响已久为人知。这还用到了某些相关的知识：某些痕量元素水平的金属对很多钢也有负面影响，如降低其韧性。比如，这包括含量很少的Ti、Zr和Nb。但在大多数钢，包括热加工用钢的情况下，仅降低钢中的这种天然杂质的含量不可能明显提高其韧性。对现有钢的研究还证明：仅通过优化钢合金的基本成份得不到良好的韧性。只有通过最佳的基本成份与低的，或很低的所述非金属杂质，最好还有非常低的Ti、Zr和Nb的含量的组合才能满足所述条件。
为满足上述条件，本发明的钢质材料的含金成份如下(％重量)，其基本组成为：
0.3-0.4C，更好是0.33-0.37C，典型地是0.35C，
0.2-0.8Mn，更好是0.40-0.60Mn，典型地是0.50Mn，
4-6Cr，更好是4.5-5.5Cr，适宜地是4.85-5.15Cr，典型地是5.0Cr，
1.8-3Mo，更好是最多2.5Mo，适宜地是2.2-2.4Mo，典型地是2.3Mo，
0.4-0.6V，更好是0.5-0.6V，适宜地是0.55V，
余量的Fe及不可避免的金属的及非金属的杂质，所述的非金属杂质包括Si、N、O、P、S，它们的最高含量如下：
Si：最多0.25，更好是最多0.20、适宜地是最多0.15，
N：最多0.010，更好是最多0.008，
O：最多10ppm，更好是最多8ppm，
P：最多0.010，更好是最多0.008，
S：最多0.010，更好是最多0.0010，适宜地是最多0.0005S
Ti，Zr和Nb的最大含量如下是可取的(％重量)：
Ti：最多0.05，更好是最多0.01，适宜地是最多0.008，而最好是最多0.005，
Zr：最好0.1，更好是最多0.02，适宜地是最多0.010，而最好是最多0.005，
Nb：最多0.1，更好是最多0.02，适宜地是最多0.010，而最好是最多0.005。
至于对各种所需合金元素的选择，可以这样简短地叙述：选择C、Cr、Mo，和V的含量，要使得在该材料交货条件下，此钢有铁素体基体，在淬火和回火之后此钢有具有适宜硬度的马氏体基体，该钢没有初次碳化物，但在该经淬火和回火的材料中存在亚显微尺寸的MC和M23C6型的2次析出的碳化物，同时为得到所需的韧性，该钢的基本成份还具有潜力。
为使此钢具有合适的淬透性，Cr的最小含量是4.0％，优选4.5％，适宜地至少4.85％，但为在回火后使此钢中M23C6和M7C3型碳化物的含量不会达到不希望的程度，Cr的含量不超过6％，更好是最多5.5％而适宜地是最多5.15％。铬的标称含量为5.0％。
与Mo相比，W对导热性和淬透性有不利影响，因而不是钢中需要的元素，但其含量最多0.5％，更好是最多0.2％则是允许的。但，此钢最好不含有意加入的W，即希望该钢只含杂质水平的W。
为同时提供适宜的淬透性，回火稳定性和合乎要求的高温强度，Mo的最小含量为1.8％，更好是至少2.2％。3％以上的Mo将有产生晶界碳化物和初次碳化物的风险，这将降低韧性和延展性。因此Mo的含量不应大于3.0％，更好是最多2.5％，适宜地是最多2.4％。如上所述，若该钢含一定含量的W，则根据“2份W相当于1份Mo”的规律，W将部分地替代Mo。
为提供适宜的回火稳定性和合乎要求的高温强度，该钢含至少0.4％的V。此外为防止此钢在热处理时晶粒变粗，V含量应至少是此所述水平。为减小形成初次的和晶界碳化物和/或碳氮化物的风险，V的上限被定为0.6％，但这将降低延展性和韧性。最好该钢含0.5-0.6V，适宜地含0.55V。
该钢应含上述水平的Mn，这主要是将淬透性提高到一定程度。
为利用含有所述C、Mn、Cr、Mo和V含量的钢所能提供的潜在的优良韧性，应同时将所述非金属夹杂物的含量保持在所述低的，或非常低的程度上。下面陈述这些杂质元素的作用。
Si是来自钢脱氧的残留产物，为使C活度保持得很低，因而将可在凝固过程及在后期中析出的初次碳化物含量保持很低，以及还将晶界碳化物保持得很低，Si含量可最高为0.25％，更好是最多0.2％，而适宜地是0.15％，这样将提高韧性。
N是趋于使初次碳化物稳定形成的元素。初次碳氮化物，尤其是除V之外还含Ti、Zr和Nb的碳氮化物比纯的碳化物更难熔解。如果在成品工具中存有这些碳化物，它们会对材料的冲击韧性产生负面影响。由于N含量低，这些碳化物在与钢的热处理相关的奥氏体化时较易溶解，此后，析出小的二次碳化物和初级MC和M23C6，主要是亚显微尺寸的，即小于100nm，通常为2-100nm的碳化物，这是有益的。因此，本发明的钢质材料应含最多0.010％N，更好是最多0.008％N。
钢中的氧形成氧化物，它可因热疲劳而引发断裂。最多10ppm，更好是最多8ppm的很低的氧含量可以消除这种对延展性的负面影响。
P在所有种类的相界面和晶界中偏析，因而降低了结合强度，从而还降低了韧性。因此P含量不应超过0.010％，更好是最多0.008％。
与Mn结合而形成MnS的S对延展性有负面影响，而且因S负面地影响横向性能，所以对韧性也有不利影响。因此最大S含量为0.010％，更好是最大0.0010％，适宜地是最大0.0008％。
Ti、Zr和Nb在此钢中的含量不应超过上述的最大含量，即最多0.05％，更好是最多0.01％，适宜地是最多0.008％，最好是最多0.005％的Ti；最多0.1，更好是最多0.02，适宜地是最多0.010，最好是最多0.005的Zr；及最多0.1，更好是最多0.02，适宜地是最多0.010，而最好是最多0.005的Nb，以避免形成初次氮化物和碳氮化物。
在交付状态下，本发明的该钢质材料的基体是含有均匀分布的碳化物的铁素体基体，所述碳化物在与淬火相关的热处理时将被溶解。在热处理时，该钢在1000-1080℃，更宜在1020-1030℃的温度下奥氏体化。此后将此材料冷至室温，再进行一或数次回火，较好是2×2h，550-650℃，更好是约600℃的回火。
本发明的其它特征将从下面的对所进行的实验的描述及从后附的权利要求书中得知。
附图简述
在下面的对所进行的实验的描述中，参照附图，其中：
图1是说明被研究的各种钢的Si、Mo和V标称含量的三维相图；
图2展示了本发明钢在软退火状态下心部的显微组织；
图3说明被检验钢的回火稳定性；
图4说明淬火和回火后的600℃保温时间对被检验钢的硬度的影响；
图5和6分别展示了本发明钢的CCT和TTT图；
图7说明夏比-V形缺口冲击功与被测钢的试验温度间的关系；
图8和9展示了+20℃的冲击功与被测钢板厚度间的关系，所述冲击功是V型缺口夏比冲击试样和无缺口试样的冲击功；
图10是说明被检测钢的热延展性和热屈服强度的图；
图11是说明被测验的钢的性能的示意图。
对所进行的检验的描述
被检验钢的化学成份列于表2中。
表2：被检验钢的分析化学成分(％重量)
    钢的类型 钢No.  C  Si  Mn  P  S  Cr  Ni  Mo  W  Co  V  Ti  Zr  Nb  Cu  Al  N     Oppm Fe
    A本发明钢 A1  0.35  0.15  0.51  0.006  0.0001  5.05  0.06  2.38  0.01  0.02  0.57  0.002  0.001  0.001  0.04  0.008  0.007     5 余量
A2  0.36  0.17  0.51  0.006  0.0003  5.04  0.06  2.34  0.01  0.02  0.57  0.002  0.001  0.001  0.04  0.016  0.007     4 余量
A3  0.37  0.17  0.51  0.007  0.0001  5.06  0.07  2.40  0.01  0.02  0.57  0.002  0.001  0.001  0.04  0.038  0.007     5 余量
A4  0.35  0.19  0.52  0.006  0.0003  5.08  0.06  2.35  0.01  0.02  0.55  0.002  0.001  0.001  0.06  0.015  0.008     5 余量
A5  0.37  0.17  0.53  0.008  0.0002  5.11  0.06  2.38  0.01  0.02  0.57  0.001  0.001  0.001  0.06  0.016  0.008     3 余量
A6  0.35  0.10  0.50  0.007  0.0002  4.98  0.06  2.33  0.01  0.02  0.54  0.002  0.001  0.001  0.04  0.017  0.007     6 余量
    H11“Premium” 16X  0.39  1.06  0.41  0.006  0.0001  4.96  0.09  1.32  0.01  0.02  0.38  0.003  0.001  0.002  0.06  0.07  0.009     7 余量
    H13“Premium” 1X  0.40  1.10  0.41  0.008  0.0003  5.13  0.10  1.46  0.01  0.02  0.92  0.004  0.001  0.002  0.06  0.031  0.008     6 余量
    QRO90 14X  0.39  0.33  0.74  0.007  0.0003  2.64  0.07  2.29  0.01  0.02  0.83  0.002  0.001  0.001  0.07  0.032  0.007     10 余量
    W.nr1.2367 4X  0.38  0.43  0.42  0.016  0.0004  5.08  0.09  2.84  0.03  0.02  0.66  0.003  0.003  0.001  0.06  0.064  0.015     12 余量
    Com.4 17X  0.37  0.30  0.35  0.006  0.0003  5.08  0.08  1.33  0.01  0.01  0.49  0.001  0.002  0.002  0.02  0.005  0.013     6 余量
    Com.3 11X  0.36  0.21  0.57  0.007  0.0007  5.26  0.67  2.17  0.01  0.57  0.86  0.002  0.003  0.001  0.03  0.005  0.025     13 余量
    Com.2 10X  0.36  0.34  0.56  0.008  0.0005  5.03  0.09  2.55  0.01  0.03  0.63  0.002  0.002  0.001  0.05  0.020  0.018     8 余量
    Com.1 9X  0.34  0.07  0.60  0.006  0.0014  5.46  0.07  2.94  0.01  0.01  0.83  0.003  0.002  0.001  0.05  0.017  0.013     10 余量
    Com.5 18X  0.35  0.17  0.48  0.007  0.0048  5.19  0.07  1.63  0.01  0.01  0.45  0.002  0.002  0.001  0.04  0.011  0.012     20 余量
在表2中，H11“Premium”和H13“Premium”分别是AISI H13和H11的变型。“Premium”指的是钢水在熔炼时已喷过SiCa(这使S降到最低水平)，而且最终产品已经受过改进的热加工程序。与同类的标准的钢相比，这些钢的特征在于，在所有方向上有较高的韧性，更大地利用较高的硬度(同时保持较高韧性)的潜在可能性，及较高的抗热冲击的能力。
用本发明的A类钢生产2炉钢，再用ESR重熔法生产3个钢锭。在表2中A类钢被称为A1、A2……A6。所述的检验主要集中于钢A2。在参照钢A的情况下，列出的是钢A1-A6的检验结果的平均值。钢水的冶金处理基本上与用于H11“Premium”和H13“Premium”的处理方法相同。ESR锭的重量为480-6630kg。通过锻造和轧制将这些锭制成棒。
表2中，后6种钢4X，17X，11X，10X，9X和18X是本发明人在市场上购得钢，而且本发明人已分析过它们的化学成份。
除QRO外，所有钢的Cr含量的数量级均为5％。其它被检验的钢相互间的区别主要在于Si、Mo和V含量不同。这可见于图1，它以三维相图的形式图示了这些钢的Si、Mo和V含量。参见涉及该标称成分的表1。
表3展示了软退火态的各钢的尺寸及硬度。
表3软退火态时的硬度
    钢号     尺寸(mm)     硬度(HB)
    A3     762×407     164
    A3     762×305     162
    A2     610×254     159
    A2     610×203     164
    A2     610×153     157
    A2     508×127     163
    A1     φ508     163
    A1     φ350     156
    A4     762×407     174
    A5     762×305     159
    A5     700×300     163
    A6     610×102     170
    A4     φ750     170
    A6     φ270     170
    A6     φ125     170
    A6     φ80     170
    16X     500×110     192
    1X     762×305     174
    14X     356×127     174
    4X     510×365     183
    17X     ～500×200     164
    11X     485×200     189
    10X     510×210     172
    9X     510×210     207
    18X     260×210     174
对组织的研究表明：除钢11X和9X含有大量的初次碳化物和初次碳氮化物之外，所有钢中初次碳化物的含量均为零。在软退火状态下的钢A2(610×203mm)心部的显微组织示于图2中。
1025°/30分的奥氏体化后的回火稳定性、1025℃/30分(对于钢No.16X是1010℃)淬火后于600℃时保温时间的影响及回火至45HRC的影响示于图3和4中。这些图表明：本发明的钢A2和钢9X有最佳的回火稳定性。本发明的钢A2受600℃保温时间的影响极小，而钢No.9X则迅速丧失了硬度。这也适用于钢No.10X。
本发明钢A2甚至淬透性也很好，这可由图5和6中的CCT和TTT图看出。
按夏比V形缺口冲击功试验与测试温度的关系测量韧性，其结果列于图7和8中。
图9展示了无缺口试样室温冲击韧性与棒尺寸间的关系。该曲线说明，在被研究的钢中，本发明钢A2具有优越的韧性和延展性。应特别注意的是，图9中，钢No.4X是沿TL1方向测试的，这样得到值比沿ST2方向取得的试样的值大10％。
于600℃对已被处理到45HRC的试样进行热拉伸试验，结果示于表4和图10中。即使就这种性能而言，本发明钢的高温强度和延展性的综合性能明显优于被研究的其它钢。
表4-600℃试验后的热拉伸性能
    钢号 硬度(HRC) Rp0.2(Mpa) Rm(MPa)     As(％)    Z(％)
    A2 45.5 649 897     17    80
    16X 43.5 517 715     18    80
    1X 44.5 584 795     17    83
    11X 44.2 555 801     17    78
    10X 45.5 637 896     13    67
    9X 45.2 615 897     14    67
    18X 45.6 613 859     15    77
本发明钢的某些极限性能在图11中的极坐标图中进行了比较。至于韧性，钢No.11X和9X含大量的初次碳化物和碳氮化物，这使这2种钢的韧性明显下降。钢No.10和某种程度上，钢No.18X的韧性与钢No.1X的韧性相当，但本发明钢A2具有优越的延展性和韧性。后一点已被全范围压-锻试验所证实。在与锻造大型卡车轮毂部件相关的这些实验时，H13“Premium”型钢和钢A1被用作工具材料。被测的部件号分别编为2452和7721。H13“Premium”工具的疲劳模式包括总的疲劳，而A1钢的工具仅因模具内部直径变形而不能使用。
因此，本发明钢A2有最好的屈服强度，延展性(面缩率)及淬透性(以硬度下降表示)。A2的回火稳定性也很好。在被研究的钢中，A2钢的性能最好。
不将本发明限于任何特定的理论，可以假定，这些优异的性能可能归因于以下因素：
-为后续的工具淬火提供了优越的软退火态的初始组织，从而达到很好的淬透性、回火稳定性及高温强度，使碳化物形成元素，如Cr，Mo和V的化学成分平衡；
-通过在低N含量的同时，优化选择C和V含量，使MX型初次碳化物和/或碳氮化物不复存在，MX中的M是V而X是C；
-相当高的Mo含量、相对低的C含量及非常低的Si含量，这就降低了C活度，从而趋于减少了会降低韧性的初次碳化物析出和晶界析出物；
-形成降低韧性的氧化物、氮化物和硫化物的元素，如O、N、和S的含量低；
-引起回火脆性的元素，如P的含量低。

Claims (20)

1.用于热加工工具的钢质材料，其特征为，它具有主要由(％重量)：
0.3-0.4    C
0.2-0.8    Mn
4-6        Cr
1.8-3      Mo
0.4-0.6    V
余量的Fe及不可避免的金属和非金属杂质构成的合金成份，所述的非金属杂质包括Si、N、O、P和S，它们的最大含量可为：
最多0.25   Si
最多0.010  N
最多10ppm  O
最多0.010  P。
2.权利要求1的钢质材料，其特征为，它含最多为0.20的Si。
3.权利要求1的钢质材料，其特征为，它含最多为0.010 S。
4.权利要求3的钢质材料，其特征为，它含最多为0.0010 S。
5.权利要求1的钢质材料，其特征为，它含：
0.33-0.37  C
0.4-0.6    Mn
4.5-5.5    Cr
1.8-2.5    Mo。
6.权利要求5的钢质材料，其特征为，它含4.85-5.15 Cr及2.2-2.4Mo。
7.权利要求1-6中任何一项的钢质材料，其特征为，它含最多为0.008N。
8.权利要求1-6中任何一项的钢质材料，其特征为，它含最多为8ppmO。
9.权利要求1-6中任何一项的钢质材料，其特征为，它含最多为0.008P。
10.权利要求1-6中任何一项的钢质材料，其特征为，它含最多为0.0008 S。
11.权利要求1-6中任何一项的钢质材料，其特征为，它含0.35 C，最多0.15 Si，0.5 Mn，最多0.008 P，最多0.0008 S，5 Cr，2.3 Mo，0.55V，最多0.008 N，最多8ppm O。
12.权利要求1-6中任何一项的钢质材料，其特征为，它含
最多0.05 Ti，
最多0.1  Zr，
最多0.1  Nb。
13.权利要求12的钢质材料，其特征为，它含最多0.01 Ti。
14.权利要求12的钢质材料，其特征为，它含最多0.02 Zr。
15.权利要求12的钢质材料，其特征为，它含最多0.02 Nb。
16.权利要求1-6中任何项的钢质材料，其特征为，它含最多0.008 Ti，最多0.016 Zr及最多0.010 Nb。
17.权利要求16的钢质材料，其特征为，它含最多0.005 Ti。
18.权利要求16的钢质材料，其特征为，它含最多0.010 Zr。
19.权利要求16的钢质材料，其特征为，它含最多0.005 Nb。
20.权利要求1-19中任何一项的钢质材料作金属压-锻工具及工具部件的用途。
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