TW201641717A - 熱工作工具鋼 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種熱工作工具鋼。該鋼包含以下主要組分(以wt.%計)：C 0.28至0.35，Si 0.05至0.35，Mn 0.1至0.8，Cr 2.5至3.8，Mo 1.8至3.8，Ni 0.6至1.9，V 0.6至1.0，其餘視情況選用之元素、鐵及雜質。

Description

熱工作工具鋼

本發明係關於熱工作工具鋼。

釩合金基質工具鋼已存在於市場上幾十年，且歸因於其將高耐磨性與極佳尺寸穩定性相組合之事實且因為其具有良好的韌性而獲得大量關注。此等鋼具有廣泛範圍之應用，諸如用於模鑄及鍛造。通常藉由習知冶金術繼之以電渣重熔(ESR)製得該等鋼。

Uddeholm DIEVAR®為高效能鉻-鉬-釩鋼，其含有平衡之碳與釩含量，如WO 99 50468 A1中所描述。

儘管已知鋼相比其他常規製得之工具鋼在熱裂、總體斷裂、熱磨損及塑性變形方面具有優良特性，但存在進一步改良之需要以便降低熱工作工具故障(諸如高壓模鑄中之熱裂)的風險。此外，進一步改良機械加工性、熱強度及耐回火性係有益的。

本發明之目標為提供一種具有引起工具之增長之壽命的改良之特性概要的熱工作工具鋼。

本發明之另一目標為改良熱裂，同時仍維持良好熱耐磨性及對總體斷裂之良好耐受性。

前述目標以及額外優點藉由提供一種具有如在合金技術方案中闡明之組成物的熱工作工具鋼而在顯著程度上予以達成。

本發明定義於申請專利範圍中。

下文簡要解釋獨立元素之重要性及其與彼此的相互作用以及對所主張的合金之化學成分的限制。貫穿描述按重量%(wt.%)計給出鋼之化學組成物的所有百分比。按體積%(wt.%)計給出硬質相之量。元素之上限及下限可在申請專利範圍第1項中闡明之限制內自由地組合。

碳(0.28%至0.35%)

應按0.28%的最小含量存在、較佳至少0.29%、0.30%、0.31%或0.32%。碳之上限為0.35%且可設定為0.34%或0.33%。在任何情況下，應控制碳的量，使得限制鋼中之類型M₂₃C₆、M₇C₃及M₆C的初生碳化物之量，較佳地，鋼不含此類初生碳化物。

鉻(2.5%至3.8%)

鉻應按至少2.5%的含量存在，以便在熱處理期間在較大橫截面中提供良好可硬化性。若鉻含量過高，則此可引起高溫肥粒鐵之形成，其形成減小熱可加工性。此外，鉻對耐回火性有負面影響，此係因為其抵消MX之形成。下限可為2.6%、2.7%、2.8%、2.9%、3.0%、3.1%、3.2%、3.3%或3.4%。上限可為3.7%、3.6%、3.5%或3.4%。

鉬(1.8%至3.8%)

已知Mo對可硬化性有極其有利之影響。鉬對於達到良好二次硬化回應為至關重要的。最小含量為1.8%，且可設定為1.9%、2.0%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%或2.5%。鉬為強碳化物形成元素，且亦為強肥粒鐵形成劑。鉬之最大含量因而為4.0%。較佳地，Mo限於3.7%、3.5%、3.3%、3.0%、2.8%或2.6%。

鎢(2%)

原則上，鉬可由兩倍的鎢替換。然而，鎢價格昂貴，且其亦使廢料金屬之處置複雜。最大量因而限於2%，較佳1%，更佳0.3%，且最佳不進行有意的添加。W可接受為至多0.1%之量的雜質。

釩(0.6%至1.0%)

釩在鋼的基質中形成均勻分佈之類型V(N，C)的初生沉澱碳化物及碳氮化物。此硬質相亦可表示為MX，其中M主要為V，但Cr及Mo可能存在，且X為C、N及B中的一或多者。釩應因而以0.6%至1.0%之量存在。上限可設定為0.9%、0.85%或0.8%。下限可為0.65%、0.70%或0.75%。

氮(0.0010%至0.080%)

可視情況添加氮以便獲得所要類型及量之硬質相，特定言之V(N，C)。氮限於0.0010%至0.080%。下限可為0.002%、0.003%、0.004%、0.005%、0.006%、0.007% 0.008%、0.009%、0.01%、0.011%、0.012%、0.013%、0.014%、0.015%、0.016%、0.017%、0.018%、0.019%、0.020%、0.022%、0.024%、0.024%、0.026%、0.028%、0.030%、0.035%或0.040%。上限可為0.07%、0.06%、0.05%、0.04%、0.03%、0.02%或0.01%。當氮含量適當地與釩含量平衡時，富釩碳氮化物V(C，N)將形成。此等物質在奧氏體化步驟期間將部分溶解且接 著在回火步驟期間沉澱為奈米大小之粒子。認為釩碳氮化物之熱穩定性比釩碳化物之熱穩定性較佳，因此可改良工具鋼之耐回火性。另外，藉由回火至少兩次，回火曲線將具有較高二次峰值。然而，M(C，N)粒子在奧氏體化期間之溶解將在氮含量愈高時愈困難。較佳範圍之N可因而設定為0.012%至0.06%、0.015%至0.05%或0.02%至0.04%。

鈮(0.03%)

鈮類似於釩，此係因為鈮形成類型M(N，C)的碳氮化物。然而，Nb導致M(N，C)之更大角度形狀。最大量因而為0.03%。上限可為0.02%、0.01%、0.005%或0.003%。較佳地，並不有意地添加鈮。

矽(0.05%至0.35%)

矽係用於脫氧。Si以經溶解形式存在於鋼中。Si為強肥粒鐵形成劑，且增大碳活性且因此增大形成非所要碳化物的風險，非所要碳化物負面地影響耐衝擊強度。Si因而限於0.35%。上限可為0.30%、0.25%或0.20%。

錳(0.1%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機械加工性。錳應因而按0.1%、較佳至少0.2%之最小含量存在。處於較高硫含量時，錳防止鋼中之紅脆性。鋼應含有最大0.8%、較佳最大0.7%、0.6%、0.5%或0.45%。

鎳(0.6%至1.9%)

鎳以0.6%至1.9%之量存在。其給予鋼良好之可硬化性及韌性。出人意料地，已發現鎳之存在亦可能藉由減小麻田散鋼中之碳的量而引起改良之機械加工性。歸因於費用，鋼之鎳含量應限於1.9%。上限可為1.8%、1.7%. 1.6%、1.5%、1.4%、1.3%、1.2%、1.1%或1%。下限可為0.7%、0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2% or 1.3%。較佳範圍包括0.7%至1.3%、1.1%至1.5%及1.2%至1.4%。

鋁(0.05%)

Al為可選元素，其可用於與Si及Mn組合用於鋼之脫氧。下限可設定為0.001%、0.003%、0.005%或0.007%以便確保良好脫氧。上限受限於0.05%以避免諸如AlN之非所要相的沉澱。上限可為0.04%、0.03%、0.02%或0.015%。

銅(3.0%)

Cu為可選元素，其可有助於增大鋼之硬度及耐腐蝕性鋼。若被使用，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，則將銅自鋼提取出係不可能的。此大幅度地使得廢料處置更困難。出於此原因，通常並不有意地添加銅。最大含量由此可設定為0.3%、0.15%、0.12%或0.10%。

鈷(8%)

Co為可選元素。然而，Co使得固相線溫度增大且因此提供提昇硬化溫度的機會，硬化溫度可能比不具有Co時高出15℃至30℃。在奧氏體化期間，因此有可能溶解較大部分之碳化物，且從而促進可硬化性。Co亦增大M_s溫度。然而，大量Co可能導致減小之韌性及耐磨性。最大量為8%，且若添加，則有效量可為2%至6%，特定言之4%至5%。然而，出於諸如廢料處置之實務原因，不必執行Co之有意添加。最大含量由此可設定為1%、0.3%或0.1%。

硫(0.5%)

S有助於改良鋼之機械加工性。處於較高硫含量時存在紅脆性的風險。此外，高硫含量可對鋼之疲勞特性有負面影響。鋼應因而含有0.5%，較佳地0.03%。S之量可減小至0.0010%或甚至0.0008%。

磷(0.05%)

P為雜質元素，其對鋼之機械特性有負面影響。P可因而限於0.05%、0.04%、0.03%、0.02%或0.01%。

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，以便進一步改良機械加工性、熱可加工性及/或可焊性。若並未有意地添加氧，則最大含量可限於15ppm、12ppm、10ppm或8ppm。

硼(0.01%)

可使用B以便進一步增大鋼之硬度。量限於0.01%，較佳地0.009%。上限可為0.008%、0.007%、0.006%、0.005%、0.004%、0.0035%或0.003%。下限可為0.0005%、0.001%、0.0015%或0.002%。較佳範圍為0.001%至0.004%。

Ti、Zr及Ta

此等元素為碳化物形成劑，且可存在於所主張範圍中之合金中用於改變硬質相之組成物。然而，通常並不添加此等元素中之任一者。此等元素之上限可設定為0.1%、0.05%、0.01%或0.005%。

氫

氫在鋼中為非所需雜質元素。因而需要藉由真空除氣以儘可能地減小液體鋼中之氫含量。較佳地，雜質含量限於0.0004%(4ppm)、0.0002%或0.0001%。

Mo/V

Mo/V比率應較佳地處於在1.8至3.5的範圍內。上限可限於3.2、3.1、3.0或2.9，以便限制富鉬相M₂X之量且提昇富釩相MX。

鋼生產

可藉由習知冶金術(包括在電弧爐(Electric Arc Furnace；EAF)中熔化及進一步在澆桶中精煉)製得具有所主張化學組成的工具鋼。視情況，可對鋼進行真空處理及/或電渣重熔(ESR)以便進一步改良潔淨度及微結構均質性。

通常，在使用之前對鋼進行硬化及回火。

可以在1000℃至1050℃，較佳1020℃至1030℃之範圍內的奧氏體化溫度(T_A)執行奧氏體化。典型的T_A為1025℃，進行30分鐘之靜置時間繼之以快速驟冷。根據硬度要求而選取回火溫度，且以600℃至650℃執行至少兩次，歷時2小時(2×2h)繼之以在空氣中冷卻。此引起43至49HRC的硬度。

實施例1

在此實施例中，將根據本發明之鋼與優質熱工作鋼DIEVAR®進行比較。

鋼具有以下組成(按wt.%計)：

其餘為鐵及雜質。

鋼在1025℃下歷時30分鐘而奧氏體化，且藉由氣體淬火硬化且在600℃下回火兩次，歷時2小時(2×2h)，繼之以在空氣中冷卻。此導致本發明鋼之47HRC的硬度，及比較性鋼之45HRC的硬度。

在Thermo-Calc軟體中計算基質(C、Si、Mn、Cr、Mo及V)的組成及處於三個不同奧氏體化溫度的初生MX之量。結果展示於表1中。

表1顯示本發明之鋼中之未溶解硬質相(MX)的量顯著地高於處於所有三個溫度的比較性鋼中之未溶解的硬質相的量。MX相負責固定晶界，且從而阻礙晶粒增長。因此，本發明在硬化溫度下較不易於晶粒生長，且可使用較高硬化溫度以便在驟冷之前將較大量之元素V及C引至固體溶液中，且從而增大二次硬化效果及耐回火性。

此外，模擬指示基質比比較性鋼含有顯著地低之Cr含量及略高之鉬及釩量。歸因於基質中之較低Cr含量，二次沉澱MX及M₂X粒子將在高溫下更穩定，同時相應地改良熱強度及耐回火性。本發明之鋼因而對高溫下之硬度減小較不敏感，使得較高回火溫度可用於移除殘留之奧氏體而不損害硬度。

實施例2

鋼具有以下組成(按wt.%計)：

其餘為鐵及雜質。

將鋼之晶粒大小與DIEVAR®之晶粒大小進行比較。所有鋼按1030℃接受奧氏體化，歷時30分鐘，且藉由氣體驟冷進行硬化。

根據ASTM標準測試方法E 112判定晶粒，其中數目愈高意謂晶粒大小愈小。所獲得晶粒大小數字方面，鋼B為10、鋼C為10.5，而 DIEVAR®為8.5。

將經硬化鋼回火(2×2h)至45HRC之硬度。回火溫度方面，DIEVAR®為610℃，而本發明之鋼為625℃。藉由將鋼靜置於600℃處，歷時多至150小時而檢測鋼之耐回火性。結果展示於表2中。

表2正如預期的顯示本發明之鋼比比較性材料具有顯著地較高之耐回火性。

產業利用性

本發明之工具鋼特別適用於需要良好可硬化性及對熱裂之良好耐受性的大模具。

Claims (10)

1. 一種用於熱工作之鋼，其以重量%(wt%)計由以下各者組成：C 0.28至0.35，Si 0.05至0.35，Mn 0.1至0.8，Cr 2.5至3.8，Mo 1.8至3.8，Ni 0.6至1.9，V 0.6至1.0，視情況選用之以下各者中之一或多者：Al 0.05，N 0.0010至0.080，B 0.01，P 0.05，S 0.5，Cu 3，Co 8，W 2，Nb 0.03，Ti 0.1，Zr 0.1，Ta 0.1， Be 0.2，Bi 0.2，Se 0.3，Ca 0.0003至0.009，O 0.003至0.01，Mg 0.01，REM 0.2，其餘為Fe以及雜質。
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：C 0.29至0.35，Si 0.1至0.30，Mn 0.2至0.7，Cr 2.6至3.7，Mo 2.2至3.3，Ni 0.7至1.6，V 0.65至0.95，N 0.001至0.05，P 0.03，S 0.03，Cu 0.02至2，Co 1，W 0.3， Nb 0.02，Ti 0.01，Zr 0.01，Ta 0.01，B 0.008，Be 0.02，Se 0.03，Mg 0.001，H 0.0004。
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：C 0.30至0.34，Si 0.1至0.25，Mn 0.25至0.6，Cr 2.7至3.6，Mo 2.0至2.6，Ni 0.8至1.5，V 0.70至0.90，N 0.015至0.050，B 0.001至0.004，Nb 0.01，Cu 0.5，Co 0.3， H 0.0002。
4. 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：C 0.31至0.35，Si 0.1至0.2，Mn 0.2至0.5，Cr 2.8至3.5，Mo 2.1至2.6，Ni 1.2至1.4，V 0.75至0.85。
5. 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 1.8至3.5，較佳地2.2至3.1。
6. 如前述申請專利範圍中任一項之鋼，其中初生沉澱MX之含量在自1030℃硬化之後為至少0.2vol.%，較佳至少0.3vol.%。
7. 如申請專利範圍第1項之鋼，其中滿足以下要求中之至少一者：Co 2至6，Mo/V 2.2至3.1，且初生沉澱MX之含量為至少0.3vol.%。
8. 如申請專利範圍第1項之鋼，其包含：C 0.30至0.35，Si 0.1至0.2，Mn 0.2至0.5， Cr 3.0至3.6，Mo 2.2至3.3，Ni 0.7至1.5，V 0.65至0.85，視情況選用之以下各者中之一或多者：Co 2至6，Al 0.001至0.05，N 0.015至0.05，B 0.001至0.005。
9. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其滿足以下要求：C 0.30至0.34，Si 0.1至0.25，Mn 0.25至0.6，Cr 2.8至3.6，Mo 2.1至2.6，Ni 0.7至1.5，V 0.65至0.95，視情況選用之以下各者中之一或多者：Al 0.001至0.04，N 0.012至0.04，B 0.001至0.0035，H 0.0002。
10. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其滿足以下要求：C 0.30至0.34，Si 0.1至0.25，Mn 0.25至0.6，Cr 2.9至3.6，Mo 2.3至2.6，Ni 0.8至1.4，V 0.75至0.9，視情況選用之以下各者中之一或多者：N 0.012至0.04，H 0.0002，Mo/V 2.3至2.8。