CN1098369C - 冷加工用钢 - Google Patents

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Abstract

冷加工用铜有以下化学成份(%重量)：0.82-0.97C，痕量-最多1.10Si，痕量-最多0.62Mn，至少7.6但小于8.0Cr，2.30-2.70Mo，0.35-0.55V及余量的Fe及以来自炼钢时的残余元素形态存在的，含量正常的不可避免的杂质。

Description

冷加工用钢
技术领域
本发明涉及一种新的冷加工用钢，即旨在用于制造冷加工工具的钢。典型的用途是下料刀具、冲压工具、深拉模具等。
背景技术
冷加工用钢最重要的性能是它具有高硬度。对于绝大多数的用途而言还要求良好的耐磨性及足以适应这种用途的韧性。为满足这些主要的及一些其它的要求，已开发了大量的钢合金。这些钢中的大多数，尤其是韧性比耐磨性更重要时，具有符合以下的合金含量范围的成份：0.8-1.2C、0.2-1.2Si、0.2-0.5Mn、5-12Cr、0.5-4Mo、0-3W及0.2-2V。此外还有少量或中等含量的Ni，Nb，Cu和/或Al。后一类型的钢述于US-A-5,160,553，它含中等至大量的Nb和Al。
叙述本发明
本发明的目的在于提供冷加工用钢，该钢的化学成份经权衡从而使之满足了以下要求：
-为取得高生产率它易于用非粉末冶金的方法制造而且有良好的热加工性能；
-它能以如下的尺寸范围制造，该范围为从最小尺寸，如φ10mm或更小至φ500mm，或相应的正方形的或扁的截面尺寸；
-它不含任何大量的粗大的初次碳化物；
-它有良好的热处理性能，其中这指的是，它能从中等高度的奥氏体化温度被淬火；
-它有良好的淬透性，即在大尺寸的情况下被淬透的能力；
-在热处理及应用时，它有良好的尺寸稳定性，后一条件特指它对时效(ageing)的敏感性很小。
-它能通过回火而被二次硬化，从而达到60-64HRC的硬度；
-它有良好的表面沉积性能，这指的是，它能被氮化、表面硬化或表面涂覆PVP及CVD；-它有良好的电火花加工性能，-它有适宜的耐磨性；-它有适宜的韧性；-它有高的抗压强度；及-它有良好的疲劳性能、切削性能及研磨性能。首先检验一系列本领域已知的冷加工用钢，其化学成份列于表1中。
                                      表1
                        被检验的现有技术钢的化学成分
  钢No.   C   Si   Mn      P     S    Cr     Ni     Mo     W     V     Nb    Ti    Cu     Al     N     Oppm     余量
  1   1.0   0.22   0.53   0.020   0.001   5.48   0.13   1.14   0.01   0.19   0.09   0.36   0.022     15     Fe
  2   0.80   0.89   0.40   0.025   0.001   8.23   0.14   1.94   0.008   0.50   0.012   0.07   0.016   0.022     8     Fe
  3   0.98   0.95   0.40   0.025   0.001   8.32   2.01   0.26   0.010   0.015     15     Fe
  4   0.95   0.94   0.44   0.015   0.001   8.26   0.36   1.84   0.02   0.45   0.005   0.03   0.020     Fe
  5   1.09   0.80   0.41   0.018   0.001   8.26   0.46   2.14   0.05   0.51   0.12   0.19   0.91     Fe
  6   0.95   1.0   0.5   8.0   1.5   2.0     Fe
  7   1.0   1.0   0.4   8.0   1.5   2.0     Fe
  8   1.12   1.20   0.30   7.75   1.60   1.10   2.40     Fe
  9   1.15   0.25   0.23   0.22   0.005   11.51   0.29   1.39   2.62   1.56   0.002   0.10   0.003     Fe
10 1.50-1.60 0.10-0.40 0.20-0.45 最多0.030 最多0.0025 11.5-12.0 最多0.30 0.70-0.90 最多0.25 0.80-1.10 最多0.30 0.010-0.045 最多0.028 Fe
  11   1.60   0.25   0.38   0.021   0.001   11.9   0.14   0.80   0.08   0.85   0.023     3     Fe
检测表1中的钢，或参照显微组织进行对比，这包括：夹杂物的类型和特点、对热处理的灵敏性、淬透性、奥氏体化之后及回火之后的硬度，尺寸稳定性、电火花加工性、冲击韧性、抗弯强度、耐磨性，抗压屈服点，研磨性及切削性能。
在被检验的钢中，没有一种具备所需的，各方面的性能组合。
在持续的开发工作中，鉴于已取得的成果，设计了一系列经过修正的要求，其中首先考虑到硬度和碳化物体积对韧性和耐磨性的影响。在开发工作的第二阶段更仔细地检验了C、N、Mn、V和Mo含量的很小的变化怎样地影响看这些关键性能，如韧性，对热处理的灵敏度、淬透性、2次硬化、抗回火稳定性及耐磨性。在这种工作中，制成了7种50kg重的实验料，其化学成份(％重量)列于表2。
                         表2：化学成份(％重量)
  钢号  料号   C   Si  Mn     P     S   Cr   Mo   V   N 余量
  12  9020  0.96  0.81  0.50  0.007  0.005  7.18  2.97  0.41  0.016   Fe
  13  9021  0.98  0.95  0.47  0.008  0.005  7.05  2.90  0.41  0.016   Fe
  14  9024  0.92  0.93  0.53  0.009  0.005  7.06  2.53  0.40  0.074   Fe
  15  9021  0.97  0.91  1.04  0.007  0.005  6.85  2.34  0.41  0.027   Fe
  16  9023  1.03  1.06  1.20  0.008  0.005  6.97  1.99  0.66  0.047   Fe
  17  9038  0.90  0.84  0.49  0.006  0.005  6.69  2.45  0.44  0.023   Fe
  18  9039  0.85  0.86  0.47  0.007  0.004  7.28  2.46  0.43  0.022   Fe
将全部料都锻成60×60mm的棒。材料检验表明：满足这种被提出的要求的锻态的钢，在上述不同性能方面均是最好的钢具有以下的化学成份(％重量)：0.82-0.97C，0.70-1.10Si，0.38-0.62Mn，至少7.6但小于8.0Cr。最多0.40Ni，2.30-2.70Mo，最多0.25W，0.35-0.55V，余量的Fe，杂质及正常含量的附带元素。该钢通常还含最多0.15N，更好是最多0.03N，最多0.30Cu及最多6ppmH。Al含量必须是最大0.1％，更好是最多0.045％，但作为钢脱氧处理带来的残留元素，其含量一般为0.010-0.045％。这种钢一般含0.92C、0.95Si、0.5Mn、7.8Cr、2.5Mo、0.45V。
至于该钢的显微组织，在1000-1080℃奥氏体化，冷至室温，1-数次180-650℃回火后，是由回火马氏体组成的，该回火马氏体所含的碳化物总体积为3-6％(体积)，更好是3-5％(体积)，其中0.25-0.45％(体积)是MC碳化物，其余主要是M7C3碳化物。初次碳化物为约4％(体积)是适宜的。
本发明的钢可用常规方法，通过生产熔体而制成，该熔体被铸成锭，锭被热加工成棒状，板状等，用该棒或板可制成工具及其它物品，为取得具有所需组合性能的成品，可使其经受热处理。可用任何的后续熔融冶金工艺步骤，如电渣重熔(ESR)或固化熔滴堆积铸造等替换工艺，如以Osprey的名称而公知的工艺补充该常规的钢锭生产工艺。
本发明钢的特征和目的将以后附的权利要求和对较佳实施方案的描述而得知。
附图描述，
图1为DOCOL(TM)1400DP中的冲压磨损与冲压次数曲线，所述附图说明在冲压超高强度钢板方面冲压磨损与冲压次数关系。
说明较佳实施方案
本发明的钢旨在用于制造冷加工工具。冷加工工具比如被用于汽车工业进行下料、冲压、压制和弯曲薄钢板等作业。在该领域中，近年来已开发出一些超高强度钢。SSAB Tunnplat AB已开发出这些钢中的一种，其商品名为DocolTM1400DP，而且除Fe和不可避免的杂质之外，它一般还含(％重量)：0.18C、0.50Si、1.80Mn、0.015P、0.002S、0.040Al及0.030Nb。这种钢以0.50-2.00mm的规格制造，按交货条件，它具有表3所列的机械性能。
  表3：加工材料的机械性能
  钢的等级 屈服强度Rp0.2或Rel，N/mm2最大-最小 2％变形及加热硬化(170℃/20分)后的屈服强度Rp2.0+BH，N/mm2，最小 横向抗拉强度，Rm，N/mm2最小-最大 延伸率A80，％最小 弯成90°时的最小半径
Docol(TM)1400DP  1200-(1450)     1350   1400-1600   3  4.0×厚度
侧面冲击防护体系中的零部件，保险杠加强件，座椅框架，摩托车中的横梁及结构件是这种钢的典型应用领域。所进行的研究旨在评价该钢用作制造所述类型产品的工具的可实现性及评估该钢与其它市售的冷加用钢的性能比较。
被检测的钢的化学成份列于表4中。钢No.19是本发明的钢。用电弧炉生产了35吨这种钢。用此钢铸成了锭，该锭经锻造和轧制而成为棒状。该钢中所含的Ni、Nb、Ti和Cu是来自所用原料的残留物，因而不是故意加入的。为使钢脱氧曾加过Al，因而所述的Al含量是来自此工艺的残留物。钢No.20是符合上述US-A-5,160,553的钢，它是由另外的生产者制造的。这种市售的由本申请人参照其化学成份进行了分析。钢No.21、22和23是由本申请人制造的市售的钢。表4中的钢No.21-23的各含量是标称含量。钢No.21是常规制造的钢，而钢No.22、23是用粉末冶金法生产的。除表4所列的各种元素的含量外，这些钢还含正常量的，来自用于制造该钢原料的杂质。
                                     表4：化学成份(％重量)
 钢No.     C   Si    Mn     P     S    Cr   Ni   Mo     W     V    Nb     Ti    Cu     Al   N     O  余量
  19   0.91   0.9   0.52   0.021   0.0007   8.07   0.12   2.59   0.036   0.48   0.002   0.006   0.69   0.025   n.a.   n.a.   Fe
  20   1.06   0.79   0.39   0.021   0.0001   8.85   0.22   2.19   0.091   0.51   0.14   0.0052   0.07   0.891   n.a.   n.a.   Fe
  21   1.55   0.3   0.3   ≤0.030   ≤0.030   12.0   0.8   0.8   Fe
  22   1.5   1.0   0.4   ≤0.02   ≤0.015   8.0   1.5   4.0   Fe
  23   2.07   1.0   0.4   ≤0.02   ≤0.015   6.8   1.5   5.35  Fe
n.a.＝未分析
用钢No.19-23的棒制成冲头直径为10mm的冲头。该棒的尺寸列于表5中。所有的冲头取自该棒材的心部并与该棒的方向交叉，而冲头的纵向与该棒的高度方向是一致的。该加工材料由所述的DocolTM1400DP构成，其厚度为10mm。为得到最高水平的强度，冷轧此钢并对之施以热处理，因而达致了良好的耐磨性、延展性/韧性指标。用15吨外心压机进行冲压作业。冲压速率为200次/分；冲压间隙为6％；无润滑。用三棱镜测量磨损，在冲压前、后测量弧线偏差。将该差值转换为以μm2表示的数值，用它代表磨损。
表5展示了试验参数并记载了冲压20000次后的冲头磨损量。该表还展示了对工具的热处理。所有的工具从所示的奥氏体化温度淬火(在表5中的TA表示此温度)，冷却后回火2次，每次以表5所示温度回火2小时。
                            表5
   钢No. 冲头磨损(μm2)   棒的尺寸(mm)  硬度(HRC)     热处理
    19     13125     254×76.2     60 TA＝1030℃/30分+550°/2×2h
    20     36105     200×100     59.5 TA＝1050℃/30分+550°/2×2h
    21     18743     250×80     60.5 TA＝1020℃/30分+550°/2×2h
    22     9618     250×80     60 TA＝1020℃/30分+525°/2×2h
    23     7790     250×63     60.5 TA＝1020℃/30分+525°/2×2h
在附图中，展示了整个冲压试验过程中的磨损。该结果可以下面的方式解释。粉末冶金法制成的钢No.22、23有足够的延展性，从而避免了冲头边缘的显微碎屑(microchipping)，而钢No.23的最小的磨损归因于其中的V含量较高。本发明的钢No.19中的合金元素的化学成份经过很好地权衡，因而该钢有各种性能的平衡组合，其中磨损控制着冲头边缘的显微碎屑。其耐磨性优于合金含量很高的钢No.21，而且可与V含量高的，用粉末冶金法生产的，高级的钢No.22和23的耐磨性相匹敌。尤其是，钢No.20具有明显的产生冲头边缘显微碎屑的趋向，这解释了为何在试验中它表现不良。

Claims (22)

1.冷加工用钢，其特征在于它有以下的化学成份(％重量)：
0.82-0.97C，
痕量-最多1.10Si，
痕量-最多0.62Mn，
至少7.6但小于8.0Cr，
2.30-2.70Mo，
0.35-0.55V，余量的Fe及以来自该钢制造过程中的残留元素形态存在的正常量的杂质。
2.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含至少0.70Si和至少0.38Mn。
3.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含最多0.25W。
4.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含最多0.40Ni。
5.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含最多0.15N。
6.权利要求5的冷加工用钢，其特征为，它含最多0.03N。
7.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含最多0.30Cu。
8.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含0.85-0.95C。
9.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含0.46-0.54Mn。
10.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含2.40-2.60Mo。
11.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含0.4-0.5V。
12.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含0-0.1的Al。
13.权利要求12的冷加工用钢，其特征为，它含最多0.045Al。
14.权利要求12的冷加工用钢，其特征为，它含0.010-0.045Al。
15.权利要求1的冷加工用钢，其特征为，它含0.92C、0.95Si、0.5Mn、7.8Cr、2.5Mo、0.45V。
16.权利要求1-2中的任何一项的冷加工用钢，其特征为，它含3-6％(体积)碳化物，其0.25-0.45％(体积)是MC碳化物，而其余主要是M7C3碳化物。
17.权利要求16的冷加工用钢，它含有3-5％(体积)碳化物，
18.权利要求1-17项中的任何一项的冷加工用钢的用途，它用于制造冷作工具。
19.权利要求18的用途是用于金属板的下料、冲压或成形。
20.权利要求18的用途是用于加工结构件。
21.权利要求18的用途是用于加工钢板。
22.权利要求18的用途是用于加工汽车工业、大型家用器具业及电器工业中用作结构件的金属板。
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