TW201546299A - 冷加工工具鋼 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種冷加工工具鋼。該鋼包含以下主要組分(以wt%計)： □餘量視情況選用之元素、鐵及雜質。

Description

冷加工工具鋼

本發明係關於一種冷加工工具鋼。

釩合金粉末冶金(powder metallurgy，PM)工具鋼已存在於市場上幾十年，且由於其將高耐磨性與極好的尺寸穩定性相結合之事實且因為其具有良好韌性而獲得大量關注。此等鋼具有廣泛範圍之應用，諸如用於遮沒、刺穿及冷擠壓之刀、衝頭及模具。該等鋼藉由粉末冶金生產。基本鋼組成物首先經霧化且其後將粉末填充至包套中且使其經受熱均壓加工(hot isostatic pressing，HIP)以便產生各向同性鋼。鋼之效能傾向於隨著釩含量增加而提高。以此方式產生的高效能鋼為CPM^®10V。其具有高碳及釩含量，如US 4,249,945中所描述。另一種此類鋼揭示於EP 1 382 704 A1中。

儘管已知(PM)鋼具有與習知生產的工具鋼相比更高的韌性，但需要其他改良以便減少工具斷裂(諸如碎裂及破裂)之風險且進一步改良可加工性。直至目前，抵消碎裂之標準措施為減小工具之硬度。

本發明之目標為提供一種粉末冶金(PM)生產的具有改良之特性特徵的冷加工工具鋼，該改良之特性特徵產生工具之增加的生命週 期。

本發明之另一目標為使特性最佳化，同時仍維持良好的耐磨性且同時改良可加工性。

特定目標為提供馬氏體(martensitic)冷加工工具鋼合金，其具有針對冷加工之改良的特性特徵。

前述目標以及額外優勢藉由提供一種具有如合金技術方案中所陳述的組成之冷加工工具鋼而在顯著程度上達成。

在申請專利範圍中定義本發明。

下文中簡要解釋單獨元素之重要性及其彼此之間的相互作用以及所主張的合金之化學成分之限制。在本說明書通篇中以重量%(wt%)形式給出鋼之化學組成之所有百分比。

碳(2.2%至2.4%)

碳以2.2%，較佳至少2.25%之最小含量存在。碳之上限可設定為2.4%或2.35%。較佳範圍為2.25%至2.35%及2.26%至2.34%。在任何情況下，應控制碳量以使得鋼中之M₂₃C₆及M₇C₃型碳化物之量限制為少於5體積%，較佳地，鋼不含該等碳化物。

鉻(4.1%至5.1%)

鉻以至少4.1%之含量存在以便在熱處理期間在較大截面中提供良好可硬化性。若鉻含量過高，則此可導致高溫肥粒鐵(ferrite)之形 成，其降低熱加工性。因此鉻含量較佳為4.5%至5.0%。下限可為4.2%、4.3%、4.4%或4.5%。上限可為5.1%、5.0%、4.9%或4.8%。

鉬(3.1%至4.5%)

已知Mo對可硬化性具有極其有利的作用。鉬對於獲得良好的二次硬化反應為至關重要的。最小含量為3.1%，且可設定為3.2%、3.3%、3.4%或3.5%。鉬為強碳化物形成元素且亦為強肥粒鐵形成物。因此，鉬之最大含量為4.5%。較佳地，Mo限制為4.2%、3.9%或甚至3.7%。

鎢(2%)

原則上，鉬可經兩倍多之鎢置換。然而，鎢較昂貴且其亦使得廢金屬之處理變得複雜。因此，最大量限制為2%，較佳1%，更佳0.3%，且最佳不進行故意添加。

釩(7.2%至8.5%)

釩在鋼之基質中形成M(C,N)型之均勻分佈的初生(primary)沈澱碳化物及碳氮化物。在本發明鋼中，M主要為釩但可存在大量Cr及Mo。因此，釩應以7.2至8.5之量存在。上限可設定為8.4%、8.3%或8.25%。下限可為7.3%、7.4%、7.5%、7.6%、7.7%、7.75%及7.8%。上限及下限可在申請專利範圍第1項中所陳述之界限內自由組合。較佳範圍包括7.7%至8.3%。

氮(0.02%至0.15%)

氮可視情況以0.02%至0.15%，較佳0.02%至0.08%或0.03%至0.06%之量引入至鋼中。氮有助於穩定M(C,N)，因為碳氮化釩之熱穩定性比碳化釩之熱穩定性更好。

鈮(2%)

鈮類似於釩，因為其形成M(C,N)型碳氮化物且可原則上用於置換釩，但其需要與釩相比雙倍量之鈮。因此，Nb之最大添加量為2.0%。(V+Nb/2)之組合量應為7.2%至8.5%。然而，Nb產生M(C,N)之更尖形狀。因此，較佳最大量為0.5%。較佳地，不添加鈮。

矽(0.1%至0.55%)

矽用於脫氧。Si以溶解形式存在於鋼中。Si增加碳活性且有益於可加工性。因此，Si以0.1%至0.55%之量存在。為實現良好脫氧，較佳將Si含量調節至至少0.2%。Si為強肥粒鐵形成物且應較佳限制為0.5%。

錳(0.2%至0.8%)

錳有助於改良鋼之可硬化性且連同硫錳一起有助於藉由形成硫化錳來改良可加工性。因此，錳應以0.2%、較佳至少0.22%之最小含量存在。在較高硫含量下，錳防止鋼中之熱脆性(red brittleness)。鋼應含有最多0.8%，較佳最多0.6%。較佳範圍為0.22%至0.52%、0.3%至0.4%及0.30%至0.45%。

鎳(3.0%)

鎳為視情況選用的且可以至多3%之量存在。其給予鋼良好的可硬化性及韌性。出於費用原因，應儘可能限制鋼之鎳含量。因此，Ni含量限制為1%，較佳0.3%。最佳地，不進行鎳添加。

銅(3.0%)

Cu為視情況選用之元素，其可有助於增加鋼之硬度及耐腐 蝕性。若使用，則較佳範圍為0.02%至2%且最佳範圍為0.04%至1.6%。然而，一旦已添加銅即不可能將其自鋼中提取出來。此極大地使廢料處理更加困難。出於此原因，通常不故意添加銅。

鈷(5%)

Co為視情況選用之元素。其有助於增加馬氏體之硬度。最大量為5%，且若添加，則有效量為約4%至5%。然而，出於實際原因(諸如廢料處理)，不故意添加Co。較佳最大含量為1%。

硫(0.5%)

S有助於改良鋼之可加工性。在較高硫含量下，存在熱脆性之風險。此外，高硫含量可能對鋼之疲勞特性具有負面作用。因此，鋼應含有0.5%，較佳0.03%。

磷(0.05%)

P為雜質元素，其可能導致回火脆性。因此，其限制為0.05%。

Be、Bi、Se、Ca、Mg、O及REM(稀土金屬)

此等元素可以所主張之量添加至鋼中以便進一步改良可加工性、熱加工性及/或可焊性。

硼(0.6%)

可視情況使用實質性量之硼以輔助硬質相(hard phase)MX之形成。可使用較低量之B以便增加鋼之硬度。隨後將該量限制為0.01%，較佳0.004%。通常，不進行硼添加。

Ti、Zr、Al及Ta

此等元素為碳化物形成物且可以所主張的範圍存在於合金中以用於改變硬質相之組成。然而，通常不添加此等元素。

鋼生產

具有所主張的化學組成之工具鋼可藉由習知氣體霧化生產。通常，鋼在使用之前經受硬化及回火。

沃斯田體化(austenitizing)可在950℃至1200℃、典型地1000℃至1100℃範圍內之沃斯田體化溫度(T_A)下進行。典型處理為在1020℃下硬化30分鐘、氣體中止及在550℃下回火2×2小時。此產生59至61HRC之硬度。

實施例

在此實施例中，將根據本發明之鋼與已知鋼CPM^®10V相比較。兩種鋼均藉由粉末冶金生產。

使基本鋼組成物融化且使其經受氣體霧化。

由此獲得之鋼具有以下組成(以wt%計)：

餘量鐵及雜質。

鋼在1100℃下經沃斯田體化30分鐘，藉由氣體中止及在540℃下持續2小時回火兩次(2×2h)經硬化，接著空氣冷卻。對於兩種材料，此產生63HRC之硬度。

在三種不同沃斯田體化溫度下的基質之組成及主要MX之量在Thermo-Calc模擬中用軟體版本S-build-2532計算。結果展示於表1中。

表1揭示本發明鋼中之硬質相之量僅比比較鋼中之量低約1.5%。另外，該模擬指示基質含有與比較鋼中之碳及鉬相比顯著較高量的碳及鉬。因此，自此模擬預期改良之回火反應以及較高硬度。此亦藉由計算值確認，該等計算值指示本發明鋼之較高硬度。此外，本發明鋼對高溫下之硬度減小較不敏感，以使得較高回火溫度可用於移除殘留的沃斯田體(austenite)而不損害硬度。

出人意料地，發現本發明鋼亦具有好得多的韌性。與比較鋼之11J相比，在橫向方向中之無缺口衝擊能為41J。此改良之原因未完全闡明，但似乎低Si含量與高Mo含量組合改良晶界之強度。因此，本發明鋼之改良的韌性使得維持高硬度而不產生碎裂問題成為可能，且因此改良冷加工工具之耐久性及使用壽命。

可加工性測試

可加工性為複雜的主題且針對不同特徵可藉由多種不同測試進行評估。主要特徵為：工具使用壽命、材料移除之限制率、切割力、 加工表面及晶片斷裂。在本發明情況下，熱加工工具鋼之可加工性藉由鑽孔檢查。

車削可加工性測試在NC Lathe Oerlikon Boehringer VDF 180C上進行。工件尺寸為Ø 115×600mm。

使用V30值比較鋼之可加工性。V30值指定為切割速度，其在車削30分鐘之後給出0.3mm之刀腹磨損。V30為自1977年之ISO 3685中所描述之標準化測試方法。在三種不同切割速度下進行車削操作直至刀腹磨損為0.3mm。使用光學顯微鏡量測刀腹磨損。記錄達到0.3mm刀腹磨損之時間。使用切割速度及對應車削時間之值，繪製泰勒(Taylor)雙對數曲線圖-時間相對於切割速度V×T^α=常數，自其有可能估計30分鐘之所需工具使用壽命之切割速度。車削可加工性測試在不使用冷卻的情況下使用Coromant S4 SPGN 120304硬質金屬嵌入物、0.126毫米/轉之進料及1.0mm之切割深度進行。

發現具有51m/min之V30值的本發明鋼與僅具有39m/min之V30值的比較鋼相比表現更好。

工業適用性

本發明之冷加工工具鋼尤其適用於需要良好耐磨性與高耐碎裂性組合之應用。

Claims (11)

1. 一種用於冷加工之鋼，其以重量%(wt%)計由以下各者組成： 視情況以下各者中之一或多者
2. 如申請專利範圍第1項之鋼，其滿足以下要求中之至少一者：
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其滿足以下要求中之至少一者：
4. 如申請專利範圍第1項之鋼，其包含： 除雜質外之餘量Fe。
5. 如前述申請專利範圍中任一項之鋼，其滿足以下要求中之至少一者：
6. 如前述申請專利範圍中任一項之鋼，其滿足所有以下要求：
7. 如前述申請專利範圍中任一項之鋼，其中Mo及V之含量經調節以滿足以下要求： Mo/V 0.4-0.5。
8. 如前述申請專利範圍中任一項之鋼，其在經硬化及回火狀態中在60HRC之硬度下在LT方向上於25℃下具有30J至80J之無缺口衝擊韌性。
9. 如前述申請專利範圍中任一項之鋼，其在60HRC下具有至少2400MPa之壓縮降伏強度。
10. 如申請專利範圍第7項之鋼，其中Mo及V之含量經調節以滿足以下要求：Mo/V 0.42-0.48。
11. 如申請專利範圍第8項之鋼，其在該經硬化及回火狀態中在60HRC之硬度下在LT方向上於25℃下具有35J至55J之無缺口衝擊韌性。