TW201029776A - Steel material and a method for its manufacture - Google Patents

Description

201029776 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種耐磨或切削性改良之鋼材料的新家 族、此等鋼材料之用途及該等鋼材料之製造方法。 【先前技術】 在許多情況下’鋼組件對对磨性有高要求。作為需要 高耐磨性之領域的實例，可提及形成及切割各種加工材料 (諸如鋼片、鋁、紡織品、紙張、包覆陶瓷之加工材料等） 之工具，'亦即習用之冷加工應用。其他實例為在根據例如 擠壓、射出模製、壓力模製之原理的塑膠製造中模製/切判 塑膠顆粒或用於模製嵌件、螺桿、噴嘴 '管中。以下部^ 亦需要高耐磨性，工程部件，諸如泵部件、閥門部件、鎚、 相對部件、用於輪胎、紙張、木材、金屬等之破碎刀具； 包裝工業、食品工業、製漿工業、採礦工業或其他加工工 業中之磨損組件或刀具；以及汽車工業之變速器及引擎中 經受磨損之部件。除高耐磨性外，亦期望鋼材料具有高硬 度。在某些情況下，亦需要良好延性及良好耐腐蝕性。為 實現不同性質特徵，除給予鋼特定的合金元素組成外，熟 習此項技術者亦可使用各種製造製程。在大量製造鋼之合 理製造製程中發現熔煉-冶金製程，其包含習用之傳統鑄 造、電渣精煉（ESR)、喷霧成形及粉末冶金製造。術語粉 末冶金製造中包括一方面經由用惰性氣體使鋼熔體霧化及 另一方面經由用電漿旋轉電極製程（代號為PREP )十所包 括之製程使鋼霧化的鋼粉製造。此等製程中之每一製程以 201029776 其方式有助於獲得期望之性質組合。 關於耐磨性，可簡單地認為傳統鑄造冷加工鋼之特徵 為相對較粗之碳化物，其最長延伸高達200 μιη或200 μιη 以上，此賦予鋼極佳磨蝕性質。因為傳統鑄造之合金鋼顯 示偏析（segregation)，故獲得特徵性碳化物分布，其中呈 條帶累積於基質中之長碳化物在縱向及橫向上產生非均勻 性質。另外，出於製造技術之原因，不能在所需尺寸程式 之整個範圍内以良好產率製造高合金鋼。

❷ 喷霧成形冷加工鋼之碳化物比傳統製造之鋼小且圓， 通常介於1 μηι與20 μηι之間，其均勻分布於鋼之基質中。 此製造技術能夠製造極高合金鋼，例如高速鋼（例如Τ15 ) 及甚至更高合金的高速鋼及工具鋼（例如具有最多15%之 釩的Weartec )。雖然較細碳化物結構通常使得耐磨性降低， 但經由喷霧成形技術，此效應可得到補償，因為該技術使 得與最多1 5%之釩形成合金成為可能，藉此一些相對較軟 之MtC3型碳化鉻由較硬之MX碳化物替代。以此方式，已 成功製造如同以上提及之稱為Weartec之鋼的具有極佳耐 磨性之鋼。 經由喷霧成形製造之鋼不管在何方向上亦具有相比傳 統製造之鋼更佳之延性及更均勾之性質。因為噴霧成形材 料之固化速度在表Φ與中心之間變化，所以獲得自表面至 中心之碳化物尺寸梯度’其中因表面之固化速度稍高，故 在表面中可見最細碳化物。材料中亦存在熱空腔及熱裂紋 所致之缺陷’該等缺陷並不總能在熱處理期間炼接在一 7 201029776 起。原因在於已證明喷霧成形為歸因於許多製程參數而相 對較難控制之製程。 歸功於尖端製造技術’粉末冶金製造之鋼在所有方向 上皆具有完全均勻之微結構。歸功於此事實以及鋼得到通 常介於1 μιη與3 μιη之間的極細碳化物粒子，獲得相對良 好之财磨性、硬度及延性的最佳組合。藉由首先添加更高 量之奴及可能選用之鈮來使合金組成平衡，可依靠硬度較 小之碳化物促使極硬碳化物形成。以此方式，即使碳化物 一般相對而5極小，粉末冶金材料亦可獲得極佳耐磨性。 在傳統製造之材料中，吾人發現標準化鋼AISI D2、 AISI D6及AISI D7，其現今用於或多或少有磨蝕之冷加工 應用。此等已知鋼之標稱組成展示於表1中。 表1-習用冷加工鋼-操稱组成，以重量0/〇計 C Si Μη Cr Mo w V AISID2 1.5 0.3 0.3 12.0 1.0 1.0 AISID6 2.1 0.3 0.8 12.5 1.1 AISID7 2.35 0.3 0.5 12.0 1.0 . 4.0 美國專利公開案US 6,348,109描述可經由喷霧成形製 造之鋼材料。已證明該材料之耐磨性與韌性之組合優於 AISI D2型、AISI D6型及AISI D7型習用萊氏體冷加工鋼 (ledeburitic cold work steel) 〇 另外’美國專利申請案US 2004/0094239 A1描述喷霧 201029776 成形之鋼材料’其具有極㈣磨性、良好耐腐難、可硬 化性及回火反應以及足夠勃性。該鋼材料首先意欲用於塑 膠模製設備中且在其中用作向機器中饋送及引導塑性體用 於製造塑膠組件之工程部件，以及用於供塑膠射出模製用 之模製工具及工具部件中。然而’已知鋼材料不限於此等 應用領域，而亦可用於必需或期望該等性質之多種其他應 用，例如用於泵中饋送磨損介f之部件及機器中之磨損金 屬組件及設備之其他零件。 在粉末冶金製造之材料中，吾人發現以商標名vanadis 4及Vanad1S 10為吾人所知之鋼。該等鋼之標稱組成展示於 表2中。 表2-粉末冶金製造之冷加工鋼_標稱組成以重量％ 計，其餘為Fe及雜質 C Si Μη Cr Mo V Vanadis®4 1.5 1.0 0.4 8.0 1.5 40 Vanadis®10 2.9 1.0 0.5 8.0 1.5 9.8

雖然上述粉末冶金製造之鋼提供耐磨性與動性之極佳 組合，但粉末冶金製程極耗時且極高端。 文獻WO 03/069004 A1描述另一粉末冶金製造之鋼材 料’其首先用於製造封裝電子組件於塑膠中之工具。該鋼 材料具有良好耐腐蝕性（包括良好的耐電火花切削時之孔 蚀的性質）及極佳耐磨性。其可經硬化與回火至硬度為61 201029776 HRC至64 HRC，較佳為62 HRC至63 HRC，且在硬化與回 火條件下具有極向壓縮強度以及在長期使用由此類鋼製成 之工具期間亦具有良好的可拋光性及良好尺寸穩定性。此 已知鋼材料含有以重量％計2.2%至3.3% ( C + N)，但最少 0.3% C 及最少 0·06% n; 0.1%至 2.0% Si; 0.1〇/〇至 2.0% Μη; 19Α至 23% Cr ;最多 2.0% Ni ;最多 2.0% Co ; 0.5%至 3.0% (Mo + W/2)，但最多 1.0% w ; 4.2%至 7.5% ( V + Nb/2)， 但最多0.1%Nb;最多0.2% S’且其餘基本上僅為鐵及雜質。 粉末冶金用粉末之製造不同於金屬顆粒之製造，在金 屬顆粒之製造中’如例如US 3,888,956及US 5,017,218中 所述’使鋼熔體下落至板上且向旁邊彈起以下落至水浴 中’在水浴中對尺寸為2至25 mm之顆粒進行淬火。以此 方式製造之顆粒迄今已用作冷卻金屬碎屑，亦即在鋼製造 製程期間添加顆粒來冷卻熔體。另外，製造具有各種化學 組成之顆粒，隨後在製造熔模鑄造工具（所謂的金屬模製 工具）時使用’亦即，再熔煉較少量之顆粒且將其鑄造成 工具。 然而’已證明需要進一步改良某些已知鋼材料之可能 性。此外，已證明鋼材料之製造需要比現今已知之喷霧成 形及粉末冶金製造技術更合理、更穩固、更簡單、更可靠 及/或更低價之方法。最重要的是，需要能夠大量生產在大 量製造較大組件時可使用之大體積鋼材料，對此，高端嘴 霧成形及粉末冶金製造方法因費用問題而並非可設想之替 代方法。 201029776 【發明内容】 本發月之一目的在於提供一種製造鋼材料新家族之方 法’該家族具有比錠塊鑄造及熱加工材料更均勻之硬相分 布或具有更均勻的改良切削性之粒子分布，其中製造製程 比現今潛在之喷霧成形或粉末冶金製造技術更合理、更穩 固、更簡單、更可靠及/或更低價。 此目的係由本發明之方法達成，該方法包含以下步驟： -製造鋼熔體； -使該熔體之射流撞擊耐火靶且崩解成液滴’使該等液 滴下落至含有冷卻介質之容器中以使其淬火成形狀為舌形 至圓形且尺寸為0.5 mm至30 mm、較佳尺寸為1 mm至1〇 mm之顆粒，從而使該熔體粒化； -用經淬火形成之顆粒填充囊；及 -將具有顆粒之囊熱均壓或熱擠壓成至少近乎完全緻 密之物體。 本發明之另一目的在於提供一種硬相分布比傳統鑄造 及熱加工材料更均勻之耐磨鋼材料，其可以比現今潛在之 喷霧成形或粉末冶金製造技術可能達成之進度更合理、更 穩固、更簡單、更可靠及/或更低價的製造進度來製造。 此目的係由具有一定組成之本發明耐磨鋼材料實現， 該組成以重量％計包括以下合金元素： C ： 0.1 %至 5% C+N ： 0·1ο/〇至 8%

Si ： 0.01%至 4% 11 201029776 Μη : 0.01% 至 15% Cr ： 0.01% 至 40% Mo : 0·01ο/〇 至 15% V ： 0·01ο/〇 至 20%， 及另外可能存在 之一或 Ni : <40% W ： <15% Nb ： <15% Co : <20% Ti : <5% Zr ： <5% Cu ： <5% A1 ： <1% S ： <1% 多種以下次量合金元素：

其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質；

-該耐磨鋼材料係藉由將經由對具有上述組成之分裂 熔體（split melt)進行淬火而獲得之尺寸為〇 5至3()爪爪、 較佳1至10 mm的顆粒熱均壓或熱擠壓來製造；且 -該鋼在熱均壓或熱擠壓後含有均勻分布之尺寸最大 為50㈣、較佳最大為1〇叫、形狀不同但亦具有圓形形狀 的碳化物、氮化物及/或碳氮化物’該等碳化物為Μχ型碳 化物、MvC3型碳化物及μ/型碳化物中之至少一種其中 大多數此等碳化物、氮化物及/或碳氮化物之尺寸大於〇1 μιη，較佳大於0.2 Am。 12 201029776 術語「MX碳化物（MX_carbide)」在此處係指M實質 上為釩且X為碳及/或氮之碳化物、氮化物及碳氮化物。通 常，較小部分之釩含量可由兩倍之鈮替代。術語「Μχ碳化 物」十亦包括Μ基本上為鈦及/或錯之碳化物、氮化物及碳 氮化物。術語「M7C3碳化物（M7C3-carbide)」在此處係指 Μ基本上為鉻且c為碳之碳化物。術語「MeC碳化物 (MW-carbide)」在此處係指μ基本上為鉬且c為碳之碳化 物。術語「次量元素（accessory element )」係指可添加至 鋼熔體中而不會對鋼性質產生不利影響的有意添加之元 素。 在本說明書中存在許多代號，其含義如下所示： HRC =根據洛氏法（R〇ckweii )所得之硬度 硬化與回火後基質中滯留之沃斯田體（austenite ) 之量，以vol·%計

以自800〇C冷卻至50(TC之秒數表示之冷卻速率 τΑ =沃斯田體化溫度，。C 參 h =小時 M?C3 (層片共晶體）=Μ?。3碳化物以沃斯田體形式共 晶沈滅：’其中碳化物實質上呈層片形狀 使用上述製造鋼熔體之方法，製程變得比現今潛在之 喷霧成形或粉末冶金製造技術更合理、更穩固、更簡單、 更可靠且更低價。在製造耐磨鋼之情況下，以上提及之鋼 材料獲得比傳統鑄造及熱加工材料更均勻的硬相分布且 因此獲得極佳耐磨性，該耐磨性使得材料適合用於形成及 13 201029776 切割各種加工材料（諸如鋼片 站 陶究之加工材料等）之工具，亦即習用：：、紙張、包覆 外，在根據例如㈣、射出模製1 7加工應用。另 製造中，作為模製/切割塑膠顆粒 之原理的塑穋 螺桿、喷嘴、管中。以下部件^ 或用於模製嵌件、 諸如栗部件、間門部件、鍵、程韻， 太分入κ松 1件用於輪胎、紙張、

材、金屬等之破碎用刀具H 工業、敕戚食口口工業、製漿 及！直.木礦工業或其他加工工業中之磨損部件或刀具；以 ^車工業之變速器及引擎中經受磨損之部件。另外二 明之耐磨鋼材料亦滿足-或數個以下條件，則更有利右 •足夠潔淨》 』· •粒化時在固化期間形成高分數(3_4〇 ν〇ι % )、較大 至100 /πη)的圓形至不規則硬相粒子。尺寸在後續熱二 壓製程中甚少受影響。 ’、、、均 •良好的熱處理性質：沃斯田體化溫度Τα = 95〇 1150。(：。 至 •良好硬化性。 •熱處理時尺寸穩定。 •在操作期間使用時尺寸穩定-低老化趨勢，高溫回火 後滯留之沃斯田體之含量低。 •二次硬化之硬度為50 HRC至66 HRC。 •良好的利用PVD/CVD/硝化之表面塗佈性質。 *良好的電火花切削性質。 •耐磨蝕性優於或等同於粉末冶金製造之鋼材料。 201029776 •韌性較佳等同於或優於AISI d2。 *高壓縮強度。 •相對良好的疲勞性質。 *可接受之切削性。 •可接受之可磨性。 *所選合金之良好耐腐姓性。 具有上述組成之熔體的淬火及粒化得到高分數（3至 40 vol.% )、較大（高達5〇/tm、較佳高達1〇#m)的圓 不規則硬相粒子’其中大多數此等碳化物、氮化物及/或碳 氮化物之尺寸大於0_1 ，較佳大於0 2 μπ1，該等硬相粒 子係在粒化後於固化反應時形成。使指定合金組成平衡， 以獲得以上提及之通常由Μχ、Μ?(：；3及/或組成之硬相 粒子於基質中之均勻分布。 在最容易於水中進行之粒化時，顆粒上可能形成表面 氧化物。任何表面氧化物皆在熱均壓（ΗΙρ)之前適當地還 參原以得到足夠潔淨之鋼材料，使得經熱均壓之鋼材料無或 基本上無氧化物夾雜物。此可藉由酸洗顆粒或藉由在例如 氫氣之還原氛圍中還原顆粒來實現。當然，亦可使用熟習 此項技術者已知之其他方法。 進行熱均壓之較佳溫度為⑺⑼它至135〇t,較佳為 1150C。歸因於顆粒形狀，可能需要對經熱均壓之囊進行熱 加工以獲得完全緻密之物體。後續HIp製程中，粒度僅受 微小程度的影響，且產生良好耐磨性。若期望增加粒度， 則可至少在一定程度上藉由延長滯留時間達1〇或小時 15 201029776 及/或對於一些合金而言稍增加Hip温度來實現。 可設想’雖然鋼材料可在熱均壓條件下使用，但常藉 由棍札或鍛造成尺寸達01〇〇〇 mm或稍高於01000 mm之坯 件（例如棒、桿）來熱加工完全緻密之物體。隨後可將此 等坯件軟化退火至硬度為約15〇 HB至35〇 HB。接著，將完 全緻密之物體切削成一或數種鋼製品，將其硬化與回火以 獲得較佳之麻田散體微結構（martensitic microstructure )，

該微結構賦予適於經受磨損以及腐蝕性環境之應用的性質 特徵。另外’獲得足夠延性/韌性。 HIP之替代方法為藉由熱擠壓將顆粒壓實。分—或數布 步驟熱擠壓填充有顆粒且排空氣體之囊，其中將顆粒壓名 起形成至；>、近乎疋全敏密之物體。進行熱擠壓之較佳廷 度為lOOOU 13贼，較佳為U5(rc。亦可設想在㈣

或熱輥軋形式中，在熱擠壓後即刻進行熱加工步驟以獲獨 具有所需尺寸之链件。關於本申請案中所述之硫化物只 寸’此等尺寸係指壓實成至少近乎完全敏密之物體後，亦 即可能進行額外熱處理之前的尺寸。 硬化時，在950T：與"贼之間的溫度下使材料沃斯田 體化，接著對材料進行淬火，較佳至室溫或接近室溫。使 冷卻介質適合於尺寸及合金含量。雖缺 變為麻田散體（麵tensite)，但在—此 ^斯田體轉 ::在-定含量之滯留沃斯田體，且因此可能需要降至_40 C進㈣度冷涞或於約_196t之液氮中進行深度冷來。回火 亦可在150。(：至6赃之溫度下進行—或數次1此對本 16 201029776 發明之鋼材料而古Jti) ## 3 r. ^ >,. 竹阳。典型的是，在硬化與回火後，其具有在 ❹

至'孤下由實質上由麻田散體組成之基質組成的微結構，且 在此基質中均勻分布不規則以及圓形的以上提及之類型的 硬相粒子， 且除此以外，亦可能存在具有次顯微尺寸之二 次沈澱之硬相粒子。 另外， 本發明之另一目的在於提供具有改良之延性且 具有更均勻的切削性改良粒子分布的切削性改良鋼材料， 其可以比現今潛在之噴霧成形或粉末冶金製造技術可能達 成之進度更合理、更穩固、更簡單、更可靠及/或更低價的 製造進度來製造。此目的係由本發明之切削性改良鋼材料 實現’違鋼材料以重量％計具有以下組成： C : 0.1%至 2.0% C+N : 0.1%至 2.2% Si ： 0_01%至 2% Μη : 0.01% 至 15% Cr ： 0.01 %至 18% Mo : 0.01%至 5% V : 0.01%至 2% S ·· 0.01%至 1%， 及另外可能存在之一或多種以下次量合金元素： Ni ： <10% W ： <4% Nb ： <1% Co ： <5% 17 201029776

Ti ： <0.5%

Zr ： <0.5%

Cu ： <2% A1 : <1%

Ca · 5-75 ppm O : 5 0-100 ppm 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質· -該鋼材料係藉由將經由對具有上述組成之分裂熔體 進行淬火而獲得之尺寸為0.5至30 _的顆粒熱均壓或熱〇 擠壓來製造；且 -該鋼在熱均壓或熱擠壓後具有含有均勻分布之尺寸 為〇·1至30 μχη且具有不規則形狀以及基本上近圓形形狀之 硫化錳MnS及/或硫化錳鈣的微結構，其中大多數此等硫化 物之尺寸較佳為0.1至10 μιη ’甚至更佳為〇丨至3 μηι。 藉由根據上述方法產生顆粒，與市面上已知的傳統製 造之切削性改良鋼材料相比，可獲得替代極佳耐磨蝕性顯 示極佳切削性及橫向上基本上改良之延性的鋼材料。此等 ❹ 改良之處係由獲得比傳統製造之鋼材料更均勻的切削性改 良硫化物粒子分布的鋼材料來實現。更確切而言，此類鋼 具有壓實後含有均勻分布之尺寸為0.1至50 的基本上球 化之硫化錳MnS及/或氧硫化錳鈣的微結構。大多數此等硫 化物之尺寸較佳為最大10 μπι，甚至更佳為〇.1至3 μηι。 在傳統上混合最多0.15%之硫製造之現今已知的鋼材 料中’熱加工鋼之一實例為Η13，且AISI 420為耐腐蝕性 18 201029776 塑膠形成鋼之一實例。本發明之切削性改良鋼材料在硬化 與回火條件下之硬度通常最大為55 HRC，較佳最大為45 HRC，且硬度甚至更佳在3〇]9[11(：：與4〇1^(：之間的範圍内 以便由工具製造者利用切割工具切削成最終形狀。 對本發明進行特性化之其他特徵及由本發明實現之特 徵自以下【實施方式】將顯而易見。 下文將參考較佳體實例以及隨伴圖式更詳細地描述本 發明。 【實施方式】 根據本發明，首先製造鋼熔體，其以重量％計具有以下 組成： C C+N Si Μη Cr Mo V 最少 0.05 0.05 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 最多 5 8 4 15 40 15 20 及另外可能存在之一或多種以下次量合金元素：

Ni W Nb Co Ti Zr Cu A1 s Ca(ppm) 0 (ppm) 最少 3 10 最多 _4〇__ 15 15 20 5 5 5 1 1 75 100

其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 鋼熔體粒化時’使較佳垂直之熔體射流下落至位於粒 19 201029776 , 裝置中之谷器之水表面上方的耐火靶上使得該射流因 衝擊力而崩解成液滴，該等液滴自耐火靶徑向散布且下落 至水中，在水中對其進行淬火以使所形成之顆粒當最遲到 達容器底部時至少表面上固化。調整溶體之下落高度，使 得所形成之顆粒獲得〇.5至3〇 mm、較佳1至i〇 mm之典 型尺寸及舌形至圓形形狀。自粒化裝置排出後，乾燥顆粒， u乾燥在定程度上可藉助於顆粒中可能剩餘之固有熱量 進行。 … 具有上述組成之熔體的淬火得到高分數（3至4〇 ν〇ι %) ◎ 尺寸最大為50 "m、較佳最大為1〇 之圓形至不規 則硬相粒子，其中大多數此等碳化物、氮化物及/或碳氮化 物之尺寸超過0.1 Vm，較佳超過〇·2 wm，該等硬相粒子 係在粒化製程中於固化期間形成。藉由將高含量之釩及相 應化學計算含量之碳添加至合金系統中，此時合金系統 C-C卜M〇-W-V-Tl-Nb-Zr-Co-Ni_Fe 中包括 Fe_c 及至少一種 碳化物形成元素，歸功於淬火而實現碳化物於熔體及滯留 之熔體區中之沈澱，或可能直接在熔體中發生較難溶解之❹ 炭化物亂化物及碳氮化物（諸如V(C，n)及Nb(C,N)、Ti(C，N) 及Zr(C，N))之一次沈澱。此沈澱順序亦可見於尺寸為工至 3〇 mm之顆粒狀鋼破片中，其作為首先描述之案例的典型 案例展示於圖4中且作為稍後描述之案例的典型案例展示 於圖5中。 在可能還原經淬火之乾燥顆粒的表面氧化物後，將顆 粒填充於囊中，隨後熱均壓或熱擠壓成至少近乎完全緻密 20 201029776 之物體。熱均壓適宜在1〇〇(rc至l35(rc、較佳115〇。〇之溫 度下進行。 表面氧化物之還原賦予製造之鋼材料足夠的潔淨性， 使得經熱均Μ之鋼材料具有低含量之氧化物夾雜物或大體 上無氧化物失雜物。以此方式，可避免顆粒邊界中存在表 面氧化物’而在該等顆粒内部可能存在之氧化物夾雜物並 不受此類還原製程影響。藉由熟習此項技術者已知之另一 製程，例如藉由在真空中熔煉及精煉鋼熔體及藉由使用潔 淨的金屬原材料作為嵌入材料，可避免該等氧化物之可能 存在或使可能存在之該等氧化物減至最少。然而，在對耐 磨触性具有高要求之某些應用中，並不必需還原氧化物， 因為此等氧化物反而可能有助於鋼材料之耐磨性。藉由對 經熱均壓之物體進行熱加工，可使任何表面氧化物^裂， 且因此可減少其對材料延性可能產生的負面影響。 隨後對經熱均壓之囊進行熱加工，首先獲得完全緻密 之物體，必要時隨後進一步熱加工成尺寸高達0i〇〇〇mm* 猶大之述件或熱加工成其他製品。隨後，使製品軟化退火 至硬度介於約15〇 HB與350 HB之間，錢藉由切割操作 將其切削成所需形狀。 以如下方式進行熱處理。藉由在95〇1至下沃 斯田體化使鋼材料硬化，其中在經由加熱達到所需溫度 後，在約30分鐘至2小時期間將材料保持在所述溫度下， 接著净火至室溫。在沃斯田體化期間， 體之結構轉變，且可完全或部分溶解一 實現基質至沃斯田 定量之碳化物，而 21 201029776 其中之合金元素擴散至沃斯田體中。泮火時，沃斯田體轉 ▲變為麻田散體。在一些較佳具體實例中，高溫回火後，可 子在疋量之滯留沃斯田體，且在彼等情況下，可能適 。對材料進行深度冷;東。可在丨耽至⑽。c之溫度下，屆 f ^ 也纟2小時之滯留時間内對鋼材料進行—或數次回 ^。在溫度範圍之上限區中，典型地自5〇代至6赃，隨 者具有次顯微尺寸之硬相粒子二次沈澱而實現材料之特徵 性二次硬化。因此，本發明之鋼材料的典型之處在於在硬 化與回火後’其具有在室溫下由實質上由麻田散體組成之❹ 基質組成的微結構，且在此基質中於液相中沈澱典型地具 有近圓至圓形形狀之MX型硬物質；除此以外，亦可能存 在具有次顯微尺寸的二次沈澱之硬粒子，其實質上呈Μχ 型、Μ7<：3型及MeC型碳化物、氮化物及/或碳氮化物之形式。 較佳將元全敏密之物趙加工成一或數種鋼製品，該一 或數種鋼製品經硬化與回火以獲得主要由麻田散體組成且 具有足夠延性/韌性之微結構。 使用包括所呈現之特徵的上述製造鋼材料之方法，製 ❹ 造進度將比現今潛在之喷霧成形或粉末冶金製造技術更合 理、更穩固、更簡單、更可靠且更低價，且獲得鋼材料之 新家族。 合金元素對鋼性質之影響 鋼基質中包括碳且適當時亦包括氮，且該碳及氮有助 於賦予鋼必需的硬度。一次沈澱及二次沈澱之MX碳化物 中包括碳及氮’以及釩或其他碳化物形成元素（諸如欽、 22 201029776 鈮及鍅）’其以極有效之方式有助於賦予鋼極佳的耐磨蝕 陡碳亦與鉻及鉬化合且形成Μ?。碳化物或Μ/碳化物， 其亦有助於耐磨性。 碎可用於鋼脫氧。碎亦有助於鋼之耐回火性，且從而 促成較高強度。 就鋼脫氧而言，添加巍以使所形成之溶渣將變得更易 與熔體分離。亦添加猛以有助於鋼之硬化性，且在一些情 況下可單獨支持此效應。錳亦可因與硫一起形成硫化錳而 有助於賦予鋼良好的切削性。藉由亦添加鈣及氧，形成氧 硫化錳鈣，除促成良好切削性外，其亦可使鋼獲得相比形 成純硫化結較佳之延性。 絡有助於賦予鋼良好的硬化性且經由使M7(：3碳化物沈 澱而有助於鋼之耐磨性及硬度。在高含量下，鉻亦有助於 賦予鋼增加之耐腐蝕性。 翻亦有助於鋼之硬化性。鉬可至少部分由兩倍量之鷄 0 替代。然而’鋼較佳不含有超過雜質量之鎢。 除上述元素外，鋼亦可含有以各種方式有助於賦予所 需性質之其他元素。 錄為以超過1 %之含量使硬化性及勤性增加之元素。因 為鎳呈沃斯田體穩定，所以在許多情況下，期望限制材料 中之鎳含量。鎳亦具有溶液硬化效應（soluti〇n hai>deni effect)。 ％ 添加鈷首先增加材料之熱硬度，而且賦予一定 i 疋的溶液 硬化效應。 23 201029776 銅為賦予一定的溶液硬化效應之元素。在含量超過 0.6%時，可藉由回火獲得沈澱硬化效應（precipitati〇n hardening effect) 0 以下更詳細描述本發明之不同具體實例。 根據本發明之一較佳具體實例，鋼炫體具有以重量％計 包含以下合金元素之組成： C C+N Si Μη Cr Mo v 最少 0.1 0.1 0.01 0.01 12 0.01 0 01 最多 5 8 4 15 21 15 20

除以上提及之元素外，鋼熔體亦可含有一或數種上述 描述之表3中所指示之次量元素’其餘基本上僅為卜及可 能存在之雜質。 在此具體實例中，碳及可能亦存在之氣應以足夠量存 在，使得在鋼之硬化與回火條件下進行熱均壓或熱擠壓及 熱加工後’鋼一方面將能夠部分地與鈒一起形成最多15 vol.%之MX碳化物，其中河實質上為叙；且另—方面將能 夠部分地與鉻-起形成最多3Gvq1%之ΜΑ碳化物，並中 Μ實質上為鉻。MX碳化物及^碳化物之總含量應總計 為3.4〇被％。在鋼之硬化條件下，鋼之麻田散體基質之固 溶體中應另外包括碳及任何氮以便以此方式有助 度。 必第較佳具體實例之鋼材料首先意欲用於塑膠模製 24 201029776 設備中且在其中用作工程部件，例如向機 塑性體用於製造塑膠組件之螺桿及桶，例如用=導 及擠壓之聚集體中之元件，以及用队a 出模製 以及用於供塑膠射出模 模製工具及工具部件中。另外，鋼 、 組件於塑膠中之工具。另外，鋼材料 十 納柯科具有良好耐腐钱性（包 ❹ 括良好的耐電火花切削時之孔㈣性質）及極佳耐磨性。 其可經硬化與回火至硬度為58咖至64職，較佳為” C至62 HRC然而，鋼材料並不限於此等應用領域，而 亦可用於必需或期望該等性質之多種其他應用，例如用於 泵中饋送磨損介質之部件、冑器中之磨損金屬部件及設備 之其他零件，及用於在例如食品工業及塑膠工業之或多或 少具有腐蝕性之環境中使用的刀具。 此第一較佳具體實例之鋼熔體較佳以重量％計具有以 下組成： C 最少 ·*" 0.5 最多 2.5 C+N Si Μη Cr Ni Mo w 0.6 0.1 0.1 13 ―― 0.01 5 2.0 3.0 20 2.5 4 3 _V 丄 12 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。

Nb Co Ti Zr Cu S 5 0.5 0.5 1 0.2 第可设想之變型中，第一較佳具艘實例之鋼嫁體 以重量％計具有以下組成： 25 201029776

其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 在第二可設想之變型中，第一較佳具體實例之 以重量％計具有以下組成： 燦體

其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 根據本發明之第二較佳具體實例，鋼熔體 下組成·· 計具 C C+N Si Μη Cr Ni Mo W V Nh Γο Ti ·> ^TW 最少 最多 .0-01 0.02 8 0.01 13 0.01 10 10 0.01— ..20 一 15 10 5 及灸！ © Sss 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 熱均壓或熱擠壓及熱加工成述件後，耐磨鋼材料 含有高達30被％的均句分布之尺寸為^5G心、2 1至10 且具有不規則形狀以及圓形/近圓形形狀之Μχ 26 201029776 碳化物、ΜΑ碳化物及/或MeC碳化物的微結構。 在本發明之此第二較佳具體實例的概念中，可設想鋼 熔體之第二變型以重量％計具有以下組成：

其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 熱均壓或熱擠壓及熱加工成柱件後，耐磨鋼材料具有 含有5至20 V〇1.%的均勻分布之尺寸為1至50 、較佳 1至10 //m且具有不規則形狀以及圓形/近圓形形狀之Μχ 碳化物、M7Cs碳化物及/或μα碳化物的微結構。 此第三變型較佳以重量％計具有以下組成： C C+N Si Μη Cr Ni Mo W v | Nh Γο Ti 7r c 最少 1.0 1.1 0.1 0.1 11 0.01 0.01 L/U »3 最多 2.0 2.2 1.0 1.0 13 1.5 1.5 1.5 1.5 0.5 2 0.1 0.1 0.5 0.1 ❹ 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 熱均壓或熱擠壓及熱加工成坯件後，耐磨鋼材料具有 含有10至15 vol.%的均勻分布之碳化物以及一定量 β Π1且具有不規則形狀以 之MX碳化物的微結構，M7c3碳化物以及Μχ碳化物之尺 寸為1至50 "m、較佳1至1〇 27 201029776 及圓形/近圓形形狀。 另外’在本發明之此第二較佳具體實例的概念中，可 設想鋼熔體之第四變型以重量％計具有以下組成： C C+N Si Μη Cr Ni Mo W V Nb Co Ti 7r Γ.11 s 最少 1.5 1.6 0.1 0.1 4 0.01 6 最多 4 4.5 2.0 3.0 12 1.5 5 2.5 12 1.0 2 0.1 0.1 0.5 0.1 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 ® 熱均壓或熱擠壓及熱加工成堪件後，耐磨鋼材料具有 含有10至30 vol·%的均勻分布之尺寸為1至5〇 ym、較 佳1至10 μιη且具有不規則形狀以及圓形/近圓形形狀之 MX碳化物、Μ/3碳化物及/或MeC碳化物的微結構。 本發明之此第二具體實例之鋼材料的應用領域可為例 如採礦工業及其他加工工業中之磨損金屬製品至製造用於 切割及沖孔、冷擠壓、粉末壓實、深度引伸等之工具（亦 即經受重度磨蝕之組件）的習用冷加工領域中之工具中的 〇 任一者。 飢、碳及氮應以必需之量存在，使得材料在硬化與回 火條件下進行熱均壓或熱擠壓及熱加工後將在基質中含有 10至30 vol.o/o之MX碳化物及M7<：3碳化物，其中最多8 vol.%由m7C3碳化物組成。鋼宜含有1.5%至4%碳及01% 至3%氮’使得c+Ν之總含量總計為1 _6%至7%。釩含量必 須最少為3%且最多為12%，其中釩至少部分可由兩倍量之 28 201029776 鈮（最多1.0% Nb)替代。 此第四變型較佳以重量％計具有以下組成： 最少 C : C+N ,0 Si 0.1 Cr^ 5 Ni Mo 0.01 w _ V_ 6 Nb _c〇^ .Ti -Cu, S 最多 3.3 3.4 2.0 2.0 10 1.5 4.0 1.0 11 1 〇 y 0.1 •唯 . ---—~- — .0.5 0.1 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 熱均壓或熱擠壓及熱加工成达件後，、耐磨鋼封 含有15至25 V〇l.%的均勻分布之尺寸為 、 J 1 1主Μ以m、較 佳1至10 且具有不規則形狀以及圓形/近圓形形狀之 MX碳化物、M7C3碳化物及/或碳化物的微結構^ 此第四變型甚至更佳以重量％計具有以下組成：

其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 熱均壓或熱擠壓及熱加工成坯件後，耐磨鋼材料具有 含有16至24 vol.%的均勻分布之尺寸為1至5〇 、較 佳1至10以m且具有不規則形狀以及圓形形狀之Μχ碳化 物及M7C3碳化物的微結構，其中最多8%為均勻分布之尺 寸為1至50 ym、較佳丄至⑺且具有不規則形狀以 29 201029776 及圓形/近圓形形狀之m7c3碳化物。 根據本發明之第三具體實例，鋼熔體具有一定組成， 反而使該組成平衡以獲得具有良好延性、勤性及/或熱硬度 之切削性改良材料。在此第二具體實例中，鋼熔體以重量〇/〇 計具有以下組成： C C+N Si Μη Cr Ni Mo w V Nh Co Ti Zr Γιι A1 s 最少 0.05 0.05 0.05 0.05 0.01 0.01 0.01 最多 2.0 2.2 2 15 18 10 5 4 2 1 5 0.5 0.5 2 1 1

及亦可能存在之3至75 ppm鈣及1〇至1〇〇 ρριη氧， 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 在熱均壓或熱擠壓後’鋼材料具有含有均勻分布的尺 寸為0.1至30 //m且具有不規則形狀以及基本上近圓形形 狀之硫化錳MnS的微結構，其中大多數此等硫化物之尺寸 較佳為0.1至10 "m，甚至更佳為〇1至3 am。藉由添 加3至75 ppm鈣及10至1〇〇 ppm氧，可如先前所提及對 © 硫化錳進行改質以使硫化錳完全或部分地由氧硫化錳鈣替 代。此第三具體實例之鋼材料中亦可存在一定量之破化 物。以本發明之理念類推，此等碳化物具有如上所述之分 布、形狀及尺寸。 在本發明之此第三較佳具體實例的概念中，可設想鋼 溶體之第五變型以重量％計具有以下組成： 30 201029776 C C+N Si Μη Cr Ni Mo V A1 s 最少 0.08 0.16 0.05 0.05 13.0 0.01 0.01 0.01 0.01 最多 0.19 0.28 1.5 2.0 15.4 1.8 1.3 0.7 1 1 及較佳亦存在之3至75 ppm鈣及10至100 ppm氧， 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 φ 以此方式’鋼首先獲得極佳切削性以及良好韌性及延 性。在鋼之勤性硬化條件下，微結構具有含最多3〇 v〇1% 肥粒鐵之麻田散體基質，且鋼材料具有29〇 HB與36〇 hb 之間的硬度。良好切削性係藉由與〇 〇1%至1%、較佳〇 〇3% 至0.5%且甚至更佳0,^.2%之硫形成合金而實現，其中錳 與硫化合且形成以上提及之硫化錳。較佳亦添加鈣及氧， 其使硫化錳球化且反而形成氧硫化錳鈣。若亦添加鈣及 氧，則硫含量可降至0·035至〇.25 s，且鈣含量為3至ι〇〇 鲁二pmCa、較佳5至75ppmCa、宜最多為4〇ppmCa，且氧 含量為10至100 ppm 〇。此等氧硫化錳鈣之伸長不及硫化 猛’且因此可獲得延性改良。猛亦可完全或部分地替代鉻 作為增加硬化性之元素。 、有可能在韌性硬化條件下遞送此第三具體實例之鋼材 料以能夠製造塑膠模製工具及極大型尺 =的支架。儘管增加硬化性之元素(錄及則之含= 咸 ^但鋼具有能夠在空氣中亦以極大型尺寸硬化之硬化 性。宜採用空氣硬化，因為可避免或至少減小滯留應力。 31 201029776 材料中之滯留應力可能導致與切削成成品形狀相關之變 形。硬化係藉由在900 C至1100°c、較佳95〇°c至1〇25。〇戋 約1000°C之溫度下沃斯田體化，接著在油性聚合物浴中、 氣體中、真空爐中或最佳在空氣中淬火來進行。回火係以 在5HTC至65(TC、較佳54(rc至62〇χ：下於至少1小時期 間高溫回火來進行，較佳進行雙回火，每次兩小時。 © 除以上提及之元素外，此第三具體實例之鋼亦可含有 最多2%之銅、較佳0·40%之銅且甚至更佳最多〇 之銅 以增加財腐録及/或硬度。然而’早在低含量時銅已使 熱延性削弱。此外，銅不能自鋼中提取，i因此廢金屬處 理及材料回收較困難。 此第三具體實例之材料中通常不應存在諸如鈮、鈦及 锆之強碳化物形成元素，因為可能存在之碳化物將對韌性 及延性產生不利影響。 在本發明之第三具體實例的第丄 貝U 變型中，鋼熔體以重 量％計具有以下組成：

其餘為鐵及不可避免的雜質。 此鋼材料亦顯示極佳切削性以及良好勒性及延性。良 好切削性係藉由與〇.()1%至1%、較佳q观至q 5%且甚至 32 201029776

^二_〇·2%之硫形成合金而實現，其中經與硫化合且形 ^'之硫化鐘。較佳亦添加舞及氧，其使硫化短球 且形成氧硫化㈣。若亦添㈣及氧，則硫含量至 _跑〇.25%S，且料量為⑼ppmca、較佳5 至75PpmCa、宜最多為4〇ρριη〜且氧含量為⑺至剛 PPm〇。此等氧硫化朗之伸h及硫缝，^此可獲得 延性改m卜，此鋼材料具有耐高熱磨損性及諸如耐回 火性熱傳導性、硬化性及強度之其他性質的良好組合。 鋼材料欲用於在熱條件下對加工材料進行切削。鋼用 途之典型實例為用於輕金屬（尤其銘）之擠壓及模鑄的工 具。另—類用途為锻造工具。叙亦以最少〇 4%及最多i 3% 之量存在於鋼中。叙有助於賦予鋼良好的耐回火性、良好 的耐磨性’且因形成有助於形成相對較細之結晶結構的碳 化鈒而促成良好強度。 對所進行之實驗的說明 現將參考隨附圖式之圖描述所進行之實驗。 在下表4中，展示許多測試合金之組成。1號至3號及 7號鋼構成比較材料，而4號、5號及6號鋼為根據本發明 方法製造之鋼材料的實例。i號及7號鋼為以習用方式經由 錠塊鑄造法製造之商業鋼材料。2號鋼為經由粉末冶金製造 法製造之商業鋼材料。3號鋼為經由噴霧成形法製造之商業 鋼材料。4號、5號及6號鋼為商業組成物，已用根據本發 明方法之製造製程對其進行實驗。5號鋼具有實質上與3號 鋼相同之組成，且6號鋼具有實質上與7號鋼相同之組成。 33 201029776 雖然 在元 源自 尚未分析參考材料1號'2號、6號及7號鋼之所有存 素’但應認識到除指定元素外，鋼亦含有正常含量之 鋼製造的不可避免之雜質。 表4-測試合金之化學組成 鋼編號 C Si Μη Ρ S Cr Ni Mo W 1號鋼 1.5 0.3 0.3 12.0 1.0 2號鋼 2.9 0.5 0.5 8.0 1.5 3號鋼 2.80 0.78 0.64 0.030 0.016 6.91 0.16 2.23 0.15 4號鋼 1.42 0.32 0.32 0.022 0.0032 12.0 0.23 0.89 0.019 5號鋼 2.71 0.70 0.65 0.028 0.019 6.97 0.15 2.18 0.44 6號鋼 0,78 0.97 0.54 7.83 0.16 2.48 7號鋼 0.88 0.89 0.50 7.85 0.12 2.50 鋼編號 Co V Ti Cu A1 N 0 At (ppm) 1號鋼 1.0 2號鋼 9.8 3號鋼 0.02 9.20 0.003 0.08 0.001 0.09 4號鋼 0.031 0.97 0.008 0.055 0.009 0.051 0.0650 5號鋼 0.020 8.44 0.007 0.062 0.001 0.12 6號鋼 0.46 7號鋼 0.45

其餘基本上僅為鐵。 由兩種各具有上表4中之4號及5號鋼之組成的4嘀 34 201029776 鋼熔體’根據最初描述之方法製造顆粒。各用25 kg顆粒填 充囊’此後密封囊，抽出氣體/空氣且藉由熱均壓壓實。此 後’藉由在115(TC下鍛造將材料熱加工成橫向尺寸為70 x 5 0 mm之达件。經由在30分鐘期間於真空爐中在1025 °C下 沃斯田體化使鍛造之坯件硬化，接著以約丨〇〇秒之冷卻速 率U-5加以冷卻。此後，經由兩次加熱至525°C，歷時2小 時滞留時間，中間冷卻至室溫來使坯件回火。 微結構及硬度 分析所獲得之坯件的微結構及硬度且與硬化與回火條 件下之參考材料作比較。熱處理數據及所量測之硬度展示 於表5中。 表S-硬化與回火條件下之熱處理數據及硬度 鋼 '^斯田體化(°C/30分鐘） 回火（°C/2 X 2小時） ❿ 1號鋼 2號鋼 1025 _硬度（HRC) 60 1020 525 200

1號鋼之微結構展示於圖丨之光學照片中。鋼顯示對錠 塊鑄造材料*言典型的非均句微結構，其具有相對較粗且 在鍛造方向上伸長之碳化物，該等碳化物在材料中形成伸 長條紋。雖然大多數碳化物介於1〇 "爪與加之間， 35 201029776 但鋼亦含有長度高達50以m之碳化物。鋼在由麻田散體組 成之基質中含有約13% M7C3碳化物。 2號鋼之微結構展示於圖2中。麻田散體之基質中均句 分布相對較圓的在最長延伸方向上尺寸為1至3 Μχ 碳化物及ΜΑ〗碳化物。碳化物含量總計為約ΐ5 ν〇ι %之 MX碳化物及7 vol·%之Μβ3碳化物。如圖可見，Μχ碳化 物稍小於M7C3碳化物，雖然碳化物之數目較少，但 相比之下具有稍大尺寸。 圖3展示3號鋼之微結構，其為喷霧成形之鋼材料。◎ 在麻田散體基質中均勻分布相對較圓的尺寸為丨至7 之MX碳化物及M7c3碳化物。相對較大部分之顧碳化物 的尺寸為約5 ，而大多數M?C3碳化物之尺寸在$ y爪 以下。較A MX碳化物大量存在為鋼具有如下所示之極佳 耐磨钱性的原因。 ❹ 圖4展示4號鋼之微結構，其在熱加工、硬化與回火 條件下根據本發明方法製造。在麻田散體之基質中均句分 布相對較圓、富含極細鉻的在最長延伸方向上尺寸為約工 =2心之m7C3碳化物，該等碳化物在粒化時於炼體液滴 ^化期間錢於基質中之㈣㈣區中。微結構在很大程 粉末冶金製造之材料所獲得之微結構，此就相 4製造方法而言令人驚訝。碳化物含量總計為約 =%，且經由熱均壓、熱加工及後續硬化與回火，可見 二多:碳化物呈離散粒子形式或呈小碳化物聚集體形式。 反物之連續大型網狀結構不存在。亦可見存在一定量的 36 201029776 極小、近圓形表面氧化物。 圖5及圖6展示5號鋼之微結構’其在熱處理、硬化 與回火條件下根據本發明方法製造。在圖5中，麻田散體 之基質中均勻分布稍不規則但相對近圓形的尺寸為丨至^ 之MX碳化物及M7C3碳化物。5號鋼之總碳化物含量 總計為21 V〇l.% ’其中16 vol.%為Μχ碳化物且$ v〇1 %為 M?C3碳化物。與具有實質上與5號鋼相同之組成但用喷霧 ❹ 成形技術製造的3號鋼相比，5號鋼顯示更精細分散之碳化 物分布，更似粉末冶金製造之材料（例如2號鋼）中所見 之碳化物結構。基質中存在一定量的尺寸高達1〇 之較 大、不規則MX碳化物。此等較大碳化物可以極積極之方 式有助於賦予鋼極佳的耐磨触性。在該圖中，亦存在一定 量之碎裂表面氧化物。 圖6展示5號鋼之微結構的另一實例。如此可見鋼 具有類似的碳化物分布，其中碳化物比圖5中所示甚至稍 φ 微更接近圓形。 耐磨杜性 經由使用Al2〇3作為研磨介質進行銷盤試驗 (pin-t0-diSC-test )來比較本發明鋼之耐磨性與參考材料之 耐磨性。結果展示於下表6巾’其中鋼之耐磨蝕性以每時 間單位所磨損之材料量（mg/min)展示。3號鋼具有最佳耐 磨性，而根據本發明方法製造之5號鋼具有相對極佳之耐 磨性，顯著優於粉末冶金製造之材料2號鋼。根據本發明 方法製造之4號鋼具有與傳統製造之i號鋼同等水準之耐 37 201029776 磨性。 硬度亦對結果有影響，影響方式為較硬材料一般具有 較佳耐磨性。此為促成4號鋼之結果稍次的原因。材料中 碳化物之類型及其尺寸影響結果。經由鋼材料中存在較高 含量之釩’依靠較小部分之硬度較小的M7C3碳化物或M6c 碳化物獲得較大部分之硬Mx碳化物，此賦予增加之耐磨 I1 生與例如含有約21 vol·%之碳化物（按16 vol.%之MX碳 化物及5 vol.%之ΜγΟ：3碳化物分配）之5號鋼相比，具有 約13 vol·%之MvC3碳化物的i號鋼及4號鋼具有相對較低 φ 之耐磨性。關於2號鋼，首先碳化物之尺寸較小，此導致 耐磨蝕性不如3號及5號鋼一般好。 表6-耐磨姑性（mg/min) 鋼 1號鋼 2號鋼 4號鋼 3號鋼 5號鋼 60HRC 60HRC 58HRC 喷霧成形 顆粒 63HRC 63HRC Al2〇3 800目 69 17 74 3.5 8.7

延性 藉由對6號及7號鋼之無缺口試件進行夏比衝擊試驗 (Charpyimpacttest)來研究延性。6號鋼係根據本發明對 顆粒進行熱均壓來製造，且7號鋼經傳統鑄造。HIp之前， 在還原步驟中加工顆粒以還原任何表面氧化物。然而，材 料之微觀研究顯示微結構在先前顆粒之間的區域中含有一 38 201029776 些小的碎裂氧化物。藉由進一步研究，有可能優化還原步 驟以更完全地還原氧化物。隨後藉由使用各種面積收縮率 (area reduction rate )鍛造對鋼進行熱加工。鍛造使剩餘表 面氧化物碎裂成較小粒子，且如熟習此領域者所知，較高 面積收縮率將產生較小氧化物粒子而且使得先前顆粒之間 的區域中之氧化物膜減少。隨後藉由以1〇25ΐ/3〇分鐘沃斯 田體化且以525 C /2 X 2小時回火使6號鋼硬化，且以1〇3〇 C/30分鐘使7號鋼沃斯田體化且以540°C/2 X 2小時回 火。結果展示於表7中。當分析結果時，將認為7號鋼之 收縮率高於6號鋼之兩個實例，且亦將認為6號鋼之兩個 實例具有較高硬度（約1.2-1.4個HRC單位）。鑒於此，可 見本發明之6號鋼在橫向及縱向上顯示顯著改良之延性。 在短橫向方向上，雖然結果處於與7號鋼相同之範圍内， 但此處6號鋼之較低面積收縮率（45% )對結果產生顯著影 響。在較高收縮率下，短橫向方向上之延性很可能超過; 號鋼。 表7-延性（J)

39 201029776 工業應用 本發明#法意欲在粉末冶金製造或噴霧成形因費用問 題而不能進行之情況下使用。利用該方法，獲得亦比現今 潛在之噴霧成形技術更合理、更簡單且更可靠之製造製 程。本發明之鋼材料意欲用於對形成及切割不同加工材料 (諸如鋼片、鋁、紡織品、紙張、包覆陶究之加工材料等) 之組件的耐磨性具有高要求之應用（例如習用之冷加工應 用）中。其他實例為在根據例如擠壓、射出模製、壓力模 製之原理的塑膠製造中模製或切割塑膠顆粒或用於模製嵌 件、螺桿、喷嘴、管中。以下部件亦需要高耐磨性，工程 部件’諸如泵部件、閥門部件'鍵、相對部件 紙張、木材、金屬等之破碎刀具；包裝工業、食品工業°、 製漿工業、採礦工業或其他加工工業中之磨損部件或刀 具；以及汽車工業之變速器及引擎中經受磨損之部件。 时論 經由製造進度比現今潛在之喷霧成形或粉末冶金製造 =更T更穩固、更簡單、更可靠且更低價之本發明 法，可製造硬相分布比傳統鑄造及熱加工材料更均勻之 鋼材料。使用本發明方法有可能製造鋼材料’亦為高合金 鋼’其在熱均壓及熱加工後具有均勾分布之不規則 形或近圓形的尺寸為約1至50 、較佳i # 111 之 MX碳化物、邮3碳化物或m6C碳化物的微結構 功於淬火，粒化之鋼獲得相當小的樹枝狀尺寸（de咖te 批e) ’因此獲得-定的碳化物尺寸，該尺寸既不會如粉末 201029776 冶金製造之材料的情況船田+ Λ 凡般因太細而不能賦予良好的耐磨 性，亦不會如傳統錠塊鑄 罈1^材料或電熔渣精煉材料般發生 偏析。使用此新製造方法，斟 忐對於至少一定程度上無一次沈 澱的含V或Nb之碳化物之妊 初之材枓，亦實現足夠大之M7C3型 或M6C型碳化物的均句分布。除等同或更佳之耐磨㈣ 外，由此新製造方法獲得之製品的延性亦比粉末冶金製造 材料可設想地低。另外，對熱處理之回應等同，其他性質

亦等同。又’當與粉末冶金製造之材料相比時，注意到PM 鋼之耐磨钱性改良同時延性更佳。 歸力於本發明方法，以合理的成本賦予現今經傳統禱 &且複雜程度不足以經由昂責的喷霧成形或粉末冶金製造 方法製造之鋼材料顯著改良的性質。另外，可避免傳統製 造或用電料精煉製造之AISID2型合金中出現的邮3之 典里層片固化結構，該結構在熱加工時產生條紋，此暗示 縱向及橫向上各向異性之性質。因此，對於傳驗塊鑄造 之鋼，本發明方法為製造縱向及橫向上性質改良且顯著更 均勻之鋼材料提供可能性。 替代具體實例 可設想製造其中混合具有不同組成之顆粒以便以此方 式組合材料之各種性質的鋼材料。其宜以混合某一粒度級 (fraction size )之顆粒與另一較小粒度級之顆粒的方式進 <丁。利用與在容器中安置顆粒以供熱均壓相關之適宜方法 或構件’有可能確保較小顆粒分布在較大顆粒之間的間隙 中°藉由選擇適宜之粒度級，以此方式亦可能以確定之方 41 201029776 、 式使一定量之較小顆粒均勻分布於較大顆粒之間。以類似 方式’亦可設想在同一容器中混合顆粒及粉末冶金製造之 金屬粉末以供熱均壓。熟習此項技術者應認識到，該技術 亦可用於製造熱均壓坯件’其中向某些區域給予顆粒/另一 材料粉末之混合物，而其餘區域僅由第一材料組成。另外， 應認識到可以此方式混合兩種以上材料。 應認識到粒化製程中可使用其他非水之冷卻介質。舉 例而§ ’可设想使用碳虱化合物，諸如葉岩煤油（ph〇t〇gene ) 或油。另外’可設想使用液氮，經由調整容器中之壓力將 0 允許其在冷卻浴上方形成強冷卻氣體。另外，可設想喷灑 冷卻介質霧來冷卻顆粒，且在此類情況下不使用冷卻浴。 另一可設想之方式為在底部給冷卻容器提供密集供應冷卻 氣體之流化床。應認識到使用並非水及諸如空氣之含氧氣 氣體的另一冷卻介質暗示顆粒不會氧化。此將暗示不需要 進行現在某些情況下所需之氧化還原步驟。另外，應認識 到各種冷卻介質以不同冷卻速率來冷卻顆粒，且因此藉由 適當選擇冷卻介質將有可能影響碳化物結構及碳化物尺 〇 寸。 【圖式簡單說明】 圖1展示熱加工、硬化與回火條件下錠塊鑄造鋼材科 之微結構； 圖2展示熱加工、硬化與回火條件下粉末冶金鋼材科 之微結構； 圖3展不熱加工、硬化與回火條件下喷霧成形冶金輞 42 201029776 材料之微、结構； 圖4展示熱加工、硬化與回火條件下根據本發明方法 製造之鋼材料的微結構； 圖5及圖6展示熱加工、硬化與回火條件下根據本發 明方法製造之另一鋼材料的微結構。 【主要凡件符號說明】 無

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Claims (1)

1. 201029776 七、申請專利範圍： 1. 一種製造鋼材料之方法，其特徵為 以下步驟： 製造鋼熔體； 使：熔體之射流撞擊对火挺且崩解成液滴使該液滴 广有冷卻介質之容器中以使其淬火成形狀為舌形至 圓形且尺寸為〇·5 mm至3〇 m 双住尺寸為1 mm至10 mm 之顆粒，從而使該熔體粒化； 用經淬火形成之顆粒填充囊；及 將：具有該顆粒之囊熱均壓或熱擠壓成至少接近完全 緻密之物體。 2. 如申請專利範圍第1 方法，其特徵在於該熱均壓 或…擠壓之則還原該顆粒上之表面氧化物。 3. 如申請專利範圍第1 對該經熱均壓之囊進行執：項之方法’其特徵在於 ’壓之囊進仃熱加工以獲得完全緻密之物體。 如申請專利範圍第1項至第3項中任—項之方法，豆 特徵在於該熱均壓係在丨 ，、 ^ υL至 135〇C、較佳 1150。(：之溫 又下於2至1〇小時之保持時間内進行。 5.如申請專利範圍第丨項至 特徵在於將該物—項之方法，其 火以獲得主要包含麻田：體鋼製品’將其硬化與回 匕3脎田散體（martensite )之料妹 口斗 物體具有足夠延性/韌性。 〜 具右It中請專利範圍第1項之方法，其特徵在於該鋼熔體 具有一定組成，該組成包含含量以 合金元素： m十如下所不之以下 44 201029776 C C+N Si Μη Cr Mo V 立少 0.05 0.05 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 最多 5 8 4 15 40 15 20 φ 以及另外可能存在之一或多種以下次量合金元素 Ni W Nb Co Ti Zr Cu A1 S Ca (ppm) 最少 3 vPpni^ 1 Λ 最多 40 15 15 20 5 5 5 1 1 75 1U 100 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 7.如申請專利範圍第6項之方法，其特徵在於該鋼熔體 具有一定組成，該組成包含含量以重量％計如下所述之以下 合金元素： c C+N Si Mn Cr Mo V 最少 0.1 0.1 0.01 0.01 12 0.01 0.01 最多 5 8 4 15 21 15 20

   其餘基本上僅為pe及可能存在之雜質及次量元素。 8.如申請專利範圍第7項之方法，其特徵在於該鋼熔體 以重量％計具有以下組成： 45 201029776 C C+N Si Μη Cr Ni Mo W V Nb Co Ti 7,r Cn A1 s 最少 0.5 0.6 0.1 0.1 13 0.01 3 最多 2.5 5 2.0 3.0 20 2.5 4 3 12 5 5 0.5 0.5 1 1 0.2 其餘基本上僅為pe及可能存在之雜質 9.如申請專利範圍第8項之方法，其特徵在於該鋼熔體 以重量％計具有以下組成： c C+N Si Mn Cr Ni Mo W V Nb Co Ti 7r Cn A1 s 最少 0.65 0.75 0.1 0.1 15 0.01 0.01 最多 1.20 1.5 1.0 1.0 19 1.2 1.5 1.5 1.5 0.5 2 0.1 0.1 0.5 1 0.1 〇 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 10.如申請專利範Μ 8項之方法，其特徵在於該鋼溶 體以重量％計具有以下組成：

   其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質 其特徵在於該鋼熔 %計如下所述之以 11.如申請專利範圍第6項之方法， 體具有一定組成，該組成包含含量以重量 46 201029776 下合金元素： C C+N Si Μη Cr Ni Mo w V Co 最少 0.01 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 最多 5 8 4 5 13 10 10 10 20 10 其餘基本上僅為Fe以及可能存在之雜質及次量元素。 12.如申請專利範圍第丨丨項之方法，其特徵在於該鋼溶 體以重量％計具有以下組成： c C+N Si Mn Cr Ni Mo W V Nb Co Ti 7r Γη Λ 1 〇 最少 0.5 0.6 0.1 0.1 4 0.01 0.01 i) 最多 3 3.2 1.0 1.0 13 1 5 4.5 2.5 4 1.0 3 0.1 0.1 0.5 1 0.1 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 © I3.如申請專利範圍第12項之方法，其特徵在於該鋼熔 體以重量％計具有以下組成： c C+N Si Mn Cr Ni Mo W V NV» 广A Zr Cu A1 s 最少 1.0 1.1 0.1 0.1 11 0.01 0.01 Ti 最多 2.0 2.2 1.0 1.0 1λ 1 5 1.5 1.5 1.5 Π c 2 0.1 0.1 0.5 1 0.1 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 14·如申請專利範圍第U項之方 成其特徵在於該鋼熔 47 201029776 體以重量％計具有以下組成： C C+N Si Μη Cr Ni Mo W V Nb Co Ti 7r rSi A1 s 最少 1.5 1.6 0.1 0.1 4 0.01 6 最多 4 4.5 2.0 3.0 12 1.5 5 2.5 12 1.0 2 0.1 0.1 0.5 1 0.1 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 15.如申請專利範圍第丨4項之方法，其特徵在於該鋼熔 體以重量％計具有以下組成： © 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質 16.如申請專利範圍第15項之方 體以重量％計具有以下組成： 法’其特徵在於該鋼熔

   c C+N Si Mn Cr Ni Mo W V Nb Co Ti 7r Γιι A1 s 最少 1.9 2.0 0.1 0.1 5 0.01 6 乙Γ 最多 3.3 3.4 2.0 2.0 10 1.5 4.0 1.0 _L0_ _2__ 0.1 0.1 0.5 1 0.1 、餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質。 17·如申請專利範圍第1項之方、> 甘 〈万去，其特徵在於該鋼熔 48 201029776 體以重量％計具有以下組成

   75 ppm 鈣及 10 至 1〇〇 ppm 氧， 及可能存在之雜質。 18. —種鋼材料 含含量以重量％計如 ’其特徵為其具有一定組成 下所述之以下合金元素： 該組成 包 c C+N Si Mn Cr V 最少 0.1 0.1 0.01 0.01 0.01 0.01 〇 01 最多 5 8 4 15 40 15 20

   以及另外可能存在之一或多種以下次量合金元素

   — C C+N Si Μη Cr Ni Mo w V Nb Co Ti Zr 最少 0.05 0.05 0.05 0.05 0.01 0.01 ΔΑ A1 S 最多 2.0 2.2 2— __15_ .18 10 丄 4 —^— 丄 5 0.5 0.5 2 1 0.01 1 及可能存在之3至 其餘基本上僅為pe 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質， 該鋼材料係藉由將經由對具有上述組成之 行淬火而獲得之尺寸為0.5至30 mm的顆粒埶體進 顆粒熱均麼或熱擠 49 201029776 壓來製造；且 該鋼在該熱均壓或熱擠壓及熱處理成精製迷件後具有 含有3至40 vol·%的均勻分布之尺寸高達50 jiim、較佳高達 1 〇 μηι且具有不規則形狀以及圓形形狀之Μχ碳化物、m7c3 碳化物及M0C碳化物的微結構，其中大多數此等碳化物、 氮化物及/或碳氮化物之尺寸大於〇.1 ，較佳大於0.2 #m。 19.如申請專利範圍第1 §項之具有改良之切削性的鋼 材料’其特徵在於其具有一定組成，該組成包含含量以重 量％計如下所述之以下合金元素： C C+N Si Μη Cr Ni Mo W V Nb Co Ti Zr Oi A1 c 最少 0.05 0.05 0.05 0.05 0.01 0.01 0 01 最多 2.0 2.2 2 15 18 10 5 4 2 1 5 0.5 0.5 2 1 1 以及較佳存在之3至75 ppm鈣及1〇至1〇〇 ppm氧， 其餘基本上僅為Fe及可能存在之雜質， 該鋼材料係藉由將經由對具有上述組成之崩解熔體進 ❹ 行淬火而獲得之尺寸為〇.5至30 mm的顆粒熱均壓或熱擠 壓來製造；且 該鋼在該熱均壓或熱擠壓後具有含有均勻分布之尺寸 為0.1至30 μιη且具有不規則形狀以及基本上近圓形形狀之 硫化錳MnS及/或硫化錳鈣的微結構，其中大多數此等硫化 物之尺寸較佳為0.1至10 μηι，甚至更佳最大為〇」至3从心 20.—種如申請專利範圍第18項之鋼材料之用途，其係 50 201029776 « 用於製造冷加工工具及磨損金屬製品，亦即經受強磨蝕之 製品。 21. —種如申請專利範圍第19項之鋼材料之用途，其係 用於製造塑膠模製工具、塑膠模製工具之支架及支架組 件，亦即，在硬化與回火條件下以高切割速度進行高級切 製品；熱加工工具’例如熱擠壓工具、輕金屬：鑄及 、，加壓工具、鍛造工具以及切割工具支架。 八、圖式： (如次頁） 51