TW201840866A

TW201840866A - 熱功工具鋼

Info

Publication number: TW201840866A
Application number: TW107107910A
Authority: TW
Inventors: 瑟班天彥傑馬克
Original assignee: 瑞典商伍德赫爾恩股份有限公司
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2018-11-16
Also published as: WO2018182480A1

Abstract

本發明關於熱功工具鋼。該鋼包含以下主要組分(以wt.%計)：C 0.27-0.40；Si 0.10-0.35；Mn 0.2-1.0；Cr 4.0-6.0；Mo 1.0-3.5；V 0.4-0.9；餘量為視情況選用的元素、鐵及雜質，其中處於退火條件的鋼具有微結構，該微結構包含：a)至少75vol.%回火麻田散鐵及/或變靭體的封包，以及b)1-20vol.%硬相，其包含碳化物、氮化物及碳-氮化物。

Description

熱功工具鋼

本發明係關於一種熱功工具鋼。

釩合金基質工具鋼已在市場上存在數十年，並且由於其將高耐磨性與優異尺寸穩定性合併之事實，且因為其具有良好韌性，因此得到相當大的關注。此等鋼具有廣泛應用，諸如用於模壓鑄及鍛造。此等鋼通常藉由習知冶金隨後電渣重熔(Electro Slag Remelting；ESR)所製造。

Uddeholm DIEVAR^®為一種高性能鉻鉬釩鋼，如WO 99/50468 A1所述，其含有平衡的碳及釩含量。它為經改良的H13優質(premium)熱功工具鋼，其係在軟退火運送條件下加工。建議的軟退火在4小時保護氣氛中經加熱至850℃，以得到均勻溫度，接著以10℃/h速率被冷卻至600℃，然後在空氣中靜置。此導致約160 HB的硬度。

儘管習知鋼在熱裂、總裂解、熱磨耗及塑性變形上相對於習知製造的工具鋼具有更好的性質，但需要進一步其性質分佈的改良。特別的是，改良鋼在未硬化條件下的機械加工性是有利的。

本發明之目的為提供一種具有改良性質分佈的熱功工具鋼，亦即本發明鋼應比習知技藝中習知的改良H13工具鋼在至少一方面優異。

本發明另一個目係改良鋼在未硬化條件下的機械加工性。此外，如果工具鋼的硬化及回火期間的形變可以減少以進一步減少加工裕度(machining allowances)是有利的。

上述目的以及額外的優點係藉由提供具有如申請專利範圍所說明之組成及微結構的熱功工具鋼實現至顯著的程度。

本發明係定義於申請專利範圍。

圖1顯示根據實施例800℃/6h之本發明的鋼結構。右下角比例尺(bar)長度為20μm。

圖2顯示經受根據實施例之傳統軟退火之比較組結構。右下角比例尺長度為20μm。

圖3顯示根據實施例800℃/6h之本發明鋼的結構。

圖4顯示經受根據實施例之傳統軟退火之比較組結構。

以下簡要說明各個元素及其相互作用的重要性以及所請合金之化學成分之限制。在整個說明書中，鋼之化學組成之所有百分比係以重量%(wt.%)提供。硬相之量係以體積%(vol.%)提供。個別元素的上限及下限可在申請專利範圍所說明的限制內自由組合。

碳(0.27-0.40%)

係以0.27%之最小含量存在，較佳至少0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33或0.34%。碳的上限為0.4%，且可設定為0.39、0.38、0.37、0.36或0.35%。較佳範圍為0.30-0.38%及0.33-0.37%。在任何情況下，應控制碳之量，使得鋼中M₂₃C₆、M₇C₃及M₆C型之一級碳化物之量受到限制，較佳者，鋼不含此種一次碳化物。

矽(0.10-1.0%)

矽係常見用於脫氧。Si係以溶解的形式存在於鋼中且可能正面地影響機械加工性。然而，Si為強肥粒鐵(ferrite)形成體，且增加碳活性，因此增加了形成非所欲的碳化物的風險，此對衝擊強度有負面的影響。矽亦易於界面分離，此可能致使韌性及耐熱疲勞性降低。因此，將Si限制在1.0%。上限可為0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.35、0.34、0.32、0.30、0.28、0.26、0.24或0.22%。較佳範圍為0.10-0.25%及0.15-0.24%。

錳(0.2-1.0%)

錳有助於改良鋼的硬化性，並與硫錳一起有助於藉由形成硫化錳來改良機械加工性。因此，錳應以0.2%最小含量存在，較佳為至少0.3、0.35、0.4、0.45或0.5%。在較高的硫含量下，錳防止鋼中的紅脆性。鋼應含有最大1.0%、較佳最大0.8、0.7、0.6、0.55或0.5%。

鉻(2.0-6.0%)

鉻係以至少2.0%之含量存在，以在熱處理期間在較大橫截面中提供良好的硬化性。若鉻含量過高，則可能致使形成高溫肥粒鐵，此降低了熱功性。下限可為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8或4.9%。上限可為6.0、5.8、5.6、5.5、5.4、5.2或5.1%。

鉬(1.0-3.5%)

已知Mo對硬化性具有非常有利的影響。鉬對於獲得良好的二次硬化反應係必要的。最低含量為1.0%，且可設定為1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.1、2.2、2.25或2.3%。鉬為一種強碳化物形成元素，且亦為一種強肥粒鐵形成體。因此，鉬之最大含量為3.5%。Mo可限制為3.4、3.3、3.2、3.1、3.0、2.9、2.8、2.7、2.6、2.5、2.4或2.35%。

釩(0.4-0.9%)

釩在鋼基質中形成均勻分佈的V(N，C)型一級沉澱碳化物及碳氮化物。此硬相亦可表示為MX，其中M主要為V但Cr及Mo可存在，以及X為C、N及B中之一或多者。因此，釩應以0.4-0.9%之量存在。上限可設定為0.9、0.8、0.7、0.6、0.58、0.56或0.55%。下限可為0.42、0.44、0.46、0.48、0.50或0.52%。

鋁(0.001-0.06%)

鋁係視情況選用之元素且可與Si及Mn組合用於脫氧。下限可設定為0.001、0.003、0.005或0.007%，以確保良好的脫氧。上限限制為0.06%，以避免非所欲的相(諸如AIN)的沉澱。上限可為0.05、0.04、0.03、0.02或0.015%。

氮(0.08%)

氮係限制為0.08%，以獲得所需類型及量的硬相，尤其是V(C，N)。當氮含量對於釩含量適當平衡時，會形成富含釩的碳氮化物V(C，N)。這些在奧氏體化步驟期間會部分地溶解，然後在回火步驟期間以奈米尺寸形式的粒子沉澱。釩碳氮化物的熱穩定性被視為優於釩碳化物的熱穩定性，因此可改良工具鋼的耐回火性以及在高奧氏體化溫度下提高耐晶粒生長性。下限可為0.001、0.004、0.01、0.011、0.012、0.013、0.014、0.015、0.016或0.017%。上限可為0.07、0.06、0.05、0.04、0.03或0.01%。

氫(0.0004%)

已知氫對鋼的性質具有害效應且在加工期間會造成問題。為了避免與氫有關的問題，使熔融鋼經受真空除氣。下限可設定為0.0004%(4ppm)且可限制為3、2.5、2、1.5或1ppm。

鎳(1.5%)

鎳應以1.5%之量存在，以提供鋼良好的硬化性及韌性。然而，由於費用關係，鋼的鎳含量應受到限制。因此，上限可設定為1.0、0.8、0.5或0.3%。下限可設定為0.05、0.10、0.15或0.20%。

銅(2.0%)

Cu為視情況選用之元素，其可有助於增加鋼的硬度及耐腐蝕性。若使用，較佳範圍為0.02-1%。下限可設定為0.05、0.1或0.15%。上限可設定為0.6、0.4、0.3或0.2%。然而，一旦添加了銅，就不可能自鋼中提取銅。這使得廢料處理更加困難。由於此原因，通常不會故意添加銅。

鈷(8%)

Co為視情況選用之元素。Co致使固相線溫度升高，因此提供了提高硬化溫度的機會，其可比無Co的情況下高15-30℃。因此在奧氏體化期間可溶解更大部分的碳化物，從而提高硬化性。Co亦增加了M_s溫度。然而，大量的Co可能致使韌性及耐磨耗降低。若添加，最大量為8%，有效量可為2-6%，尤其4至5%。然而，由於實際原因(諸如廢料處理)，通常不故意添加Co。然後可將最大雜質含量設定為1%或0.3%。

鎢(1%)

原則上，由於它們的化學相似性，鉬可以被為兩倍的鎢取代。但是鎢很貴，並且使廢金屬的處理變得複雜。因此最大量限制為1%，較佳0.5%，更佳0.3%，並且最佳不故意添加。

鈮(0.5%)

鈮與釩類似，因為其形成M(N,C)型之碳氮化物，且原則上可用於取代部分釩，但是相較於釩需要雙倍的鈮。然而，Nb致使M(N,C)具有更具角度的形狀。因此，最大量為0.5%、較佳為0.05%，最佳不故意添加。

Ti、Zr及Ta

此等元素為碳化物形成體，並且可以所請之範圍存在於合金中以改變硬相的組成。但是，通常不會添加此等元素。

硼(0.01%)

可使用B以進一步增加鋼的硬度。該量限制為0.01%、較佳0.005%。添加B的較佳範圍為0.001-0.004%。

硒(0.05%)

硒可以0.05%的量被加入鋼，以進一步改良鋼的機械加工性。

釔(1%)

Y可視情況選用的以達1%的量加入，以改良氧化皮(oxide scale)黏性且從而改良鋼的耐磨性。當均勻地分佈於鋼基質中時，添加特別有效。因此，Y較佳被加入由粉末冶金製造的鋼。下限可設定為0.2、0.3或0.4%。上限可設定為0.9、0.8、0.7或0.6%。

Ca、Mg及REM(稀土金屬)

此等元素可以所請之量添加至鋼中以進一步改良機械加工性、熱功性及/或可焊性。本文REM係定義為由周期表元素57至71組成。

雜質元素

P、S及O為主要的雜質，其通常對鋼的機械性質具有負面影響。因此，P可限制為0.03%、較佳0.01%。S可限制為0.03、0.01、0.005、0.003、0.001、0.0008、0.0005或甚至0.0001%。O可限制為0.0015、0.0012、0.0010、0.0008、0.0006或0.0005%。

本發明提供用於熱功的鋼，其具有由以下以重量%(wt.%)計的組分組成C 0.27-0.40

Si 0.10-1.0

Mn 0.2-1.0

Cr 2.0-6.0

Mo 1.0-3.5

V 0.4-0.9

視情況選用的一或多種

Al 0.001-0.06

N 0.08

Ni 1.5

Cu 2

Co 8

W 1

Nb 0.5

Ti 0.05

Zr 0.05

Ta 0.05

B 0.01

Se 0.05

Ca 0.0001-0.009

Mg 0.01

Y 1

REM 0.2

除雜質以外，餘量為Fe，其中鋼係處於退火條件，具有不高於360 HB的硬度及微結構，該微結構包含： a)至少75vol.%回火麻田散鐵及/或變靭體的封包(packets)，以及b)1-20vol.%硬相，其包含碳化物、氮化物及碳-氮化物。

根據另一個態樣，鋼應該滿足以下條件中之至少一者：C 0.30-0.38

Si 0.15-0.35

Mn 0.4-0.8

Cr 3.5-5.5

Mo 1.8-2.8

V 0.5-0.6

N 0.001-0.03

Cu 0.02-1

Si 0.15-0.30

Mn 0.4-0.6

Cr 4.5-5.5

Mo 2.1-2.8

V 0.5-0.6

N 0.001-0.056

根據另一個態樣，鋼應該滿足以下條件中之至少一者：C 0.33-0.37

Si 0.16-0.26

Mn 0.45-0.55

Cr 4.8-5.2

Mo 2.2-2.6

V 0.51-0.58

N 0.004-0.02

Si 0.15-0.30

Mn 0.4-0.6

Cr 4.5-5.5

Mo 2.1-2.8

V 0.5-0.6

N 0.01

Si 0.16-0.26

Mn 0.45-0.55

Cr 4.8-5.2

Mo 2.2-2.6

V 0.51-0.58

根據另一個態樣，回火麻田散鐵及/或變靭體的封包應該具有為40μm、較佳20μm、更佳15μm的最大尺寸。

根據另一個態樣，硬相包含M₆C、M₇C₃、M₂₃C₆以及MC，其中M係Cr、Mo、V以及Nb中之一或多者金屬且其中硬相、除了C以外，可包含N以及B。

較佳的，硬相的量係3-8vol.%及/或硬相的最大尺寸係3μm。

根據另一個態樣，處於退火條件的鋼具有不高於300 HB、較佳不高於250 HB的硬度。較佳硬度範圍係180-250 HB、較佳係190-230 HB。

根據另一個態樣，鋼滿足V1000(HSS)>35m/min的機械加工性值。

一種製造鋼的方法，其包含以下步驟：a)提供鋼，其具有如申請專利範圍第1-6項定義的組成，b)使該鋼經受熱變形，c)使該熱變形的鋼經受970℃至1050℃範圍溫度的熱處理2-8小時，以使鋼奧氏體化，d)將該鋼冷卻至70-220℃的溫度，以得到麻田散鐵及/或變靭體結構，以及e)將該鋼再加熱至A_c1-100℃至A_c1溫度2-10小時。

較佳的，製造鋼的方法滿足以下條件中之至少一者：步驟c)的溫度為980-1030℃，步驟e)的再加熱溫度為A_c1-50℃至A_c1-10℃且持溫時間為4-8小時。

製造鋼的方法可進一步包含以下步驟：f)使該鋼從980-1080℃的溫度硬化，及視情況選用的g)使該鋼回火。

具有所請之化學組成的工具鋼可藉由習知冶金製造，包括在電弧爐(Electric Arc Furnace；EAF)中熔化並且在澆桶(ladle)中進一步精煉，以及真空處理。視情況選用的，鋼可經受電渣重熔(ESR)以進一步改良清潔度及微結構均勻性。

通常，鋼在被使用前(例如在模具中供模鑄)經受硬化及回火。然後，奧氏體化可在1000-1070℃、較佳約1000-1030℃範圍的奧氏體化溫度(T_A)下進行。典型的T_A為1025℃，持溫時間為30分鐘，隨後快速淬火。回火溫度根據硬度條件而選擇，並且在550-650℃下進行2小時至少兩次(2×2h)，隨後在空氣中冷卻。此導致44-54 HRC的硬度。

然而，用於製造模具或模子的鋼塊在未硬化條件下加工。儘管前先技藝的鋼Uddeholm DIEVAR^®具有在軟退火條件下約160 HB的低硬度且輕易地符合用於優質熱功工具鋼最大硬度230 HB的NADAC 207-97條件，它具有中等機械加工性。本案中所有數值所用硬度測試為HBW10/3000，亦即10mm直徑碳化鎢球壓頭及3000kgf負載。據上所述，本案中的HB與HBW10/3000相同。

本發明發明人驚訝地發現，如果傳統軟退火被替代的略低於A_C1溫度的高溫退火取代，藉由提供鋼完全不同的微結構，能改良鋼的機械加工性。

略低於A_C1溫度進行麻田散鐵及/或變靭體結構的退火導致碳的重新分佈及碳化物沉澱。因為該材料並未經受任何成為奧氏體的轉換，保留層狀(lath)麻田散鐵及/或變靭體的結構。碳化物主要在晶粒界及次晶粒界發現。碳化物沉澱造成麻田散鐵正方晶性(tetragonality)減少，最後層狀麻田散鐵及/或變靭體的封包轉換成肥粒鐵封包。據上所述，用語「回火麻田散鐵及/或變靭體的封包」指的是具有分佈於晶粒界及次晶粒界的碳化物的回火麻田散鐵及/或變靭體的碳缺乏(carbon depleted)封包結構以及具有分佈於晶粒晶界及次晶粒界的大部分碳化物的肥粒鐵封包結構。

實施例

此實施例中，鋼係由EAF-熔化、澆桶精煉、以及真空除氣接著底鑄(uphill casting)而製造。鑄錠經鍛造成799x379mm尺寸。取試片供檢視。

鋼具有以下以重量%(wt.%)計的組成：C：0.35、Si：0.18、Mn：0.45、Cr：5.0、Mo 2.3、V：0.6以及Al：0.01。此組成的A_C1為820℃。

樣品在990℃經受奧氏體化達4小時，在介於800及500℃之間的冷卻時間為100秒(t_8/5=100s)，隨後在空氣中靜置至180℃。根據本發明鋼樣品在800℃(略低於A_C1溫度)經受退火。此造成213 HB的硬度值。經受高於A_C1溫度的傳統軟退火的樣品硬度為164 HB。結果顯示於表1。

圖1揭示本發明鋼的微結構(Light Optical Microscope，(LOM))。圖2揭示比較鋼的微結構，該比較鋼經受傳統軟退火(LOM)。圖1及2右下角比例尺長度為20μm。可以看到，本發明鋼相較於軟退火鋼具有更細緻且更均勻結構以及更細緻且更一致的碳化物分佈。此等差異可更清楚地在掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝的照片中確認。圖3揭示本發明鋼的SEM照片，由碳缺乏回火麻田散鐵以及主要分佈於晶粒界及次晶粒界的碳化物的封包組成。圖4揭示比較鋼結構，其具有一致地分佈於多邊形肥粒鐵基質中的粗碳化物。

藉鑽孔檢視機械加工性，因為此係工具本體製造中最嚴荷的作業之一。該測試係在MODIG 7000加工中心進行。

鋼經受V1000鑽孔測試。此測試為切削長度1000mm提供切削速度。所用鑽孔機為HSS Wedevåg Double-X Ø 5mm。

表2揭示根據本發明的結果且表3為比較鋼的結果。

鑽孔測試的結果被用於衍生經檢視鋼的V1000-值。本發明鋼具有40m/min的V1000值而比較鋼具有30m/min的V1000值。據上所述，本發明鋼在此測試中透露出顯著改良的機械加工性。

此微結構的結果為退火材料的硬度從約160 HB增加至例如約210 HB。此外，驚訝地發現新結構產生大幅改良的機械加工性。

目前尚未完全理解改良機械加工性的原因，且發明人不願受到任何理論束縛。然而，改良機械加工性的一個原因可能為得自於小封包尺寸的細微化結構正面影響機械加工性且抵消增加硬度的負面效應。有可能，該細微化結構造成更小的晶片區段(chip segments)，從而造成更小的切削力。

產業利用性

本發明的工具鋼特別有用於需要在未硬化條件下良好的硬化性及良好機械加工性的大型模具。

Claims

一種用於熱功的鋼，其係由以下以重量%(wt.%)計的組分組成：C 0.27-0.40；Si 0.10-1.0；Mn 0.2-1.0；Cr 2.0-6.0；Mo 1.0-3.5；V 0.4-0.9；視情況選用的以下之一或多者：Al 0.001-0.06；N 0.08；Ni 1.5；Cu 2；Co 8；W 1；Nb 0.5；Ti 0.05；Zr 0.05；Ta 0.05；B 0.01；Se 0.05；Ca 0.0001-0.009；Mg 0.01； Y 1；REM 0.2；除雜質以外，餘量為Fe，其中鋼係處於退火條件，具有不高於360 HB的硬度及微結構，該微結構包含：a)至少75vol.%回火麻田散鐵及/或變靭體的封包(packets)，以及b)1-20vol.%硬相，其包含碳化物、氮化物及碳-氮化物。
根據申請專利範圍第1項之鋼，其滿足以下條件中之至少一者：C 0.30-0.38；Si 0.15-0.35；Mn 0.4-0.8；Cr 3.5-5.5；Mo 1.8-2.8；V 0.5-0.6；N 0.001-0.03；H 0.0003；Cu 0.02-1；Co 1；W 0.3；Nb 0.05；Ti 0.01；Zr 0.01；Ta 0.01；B 0.005；Se 0.03； Mg 0.001；Y 0.2-1.0；且其中P、S及O的雜質含量滿足以下條件P 0.03；S 0.03；O 0.0015。
根據申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其滿足以下條件中之至少一者：C 0.30-0.38；Si 0.15-0.30；Mn 0.4-0.6；Cr 4.5-5.5；Mo 2.1-2.8；V 0.5-0.6；N 0.001-0.056；H 0.0002；Cu 0.02-0.5；Co 1；W 0.3；Nb 0.5；Ti 0.01；Zr 0.01；Ta 0.01；B 0.005； Se 0.03；Mg 0.001；Y 0.3-0.7，且其中P、S及O的雜質含量滿足以下條件P 0.01；S 0.0015；O 0.0010。
根據前述申請專利範圍中任一項之鋼，其滿足以下條件中之至少一者：C 0.33-0.37；Si 0.16-0.26；Mn 0.45-0.55；Cr 4.8-5.2；Mo 2.2-2.6；V 0.51-0.58；N 0.004-0.02；H 0.0003；Cu 0.02-0.3；Co 0.3；W 0.1；Nb 0.05；Y 0.4-0.6，且其中P、S及O的雜質含量滿足以下條件P 0.01； S 0.0005；O 0.0008。
根據前述申請專利範圍中任一項之鋼，其滿足以下條件中之至少一者：C 0.30-0.38；Si 0.15-0.30；Mn 0.4-0.6；Cr 4.5-5.5；Mo 2.1-2.8；V 0.5-0.6；N 0.01。
根據前述申請專利範圍中任一項之鋼，其滿足以下條件中之至少一者：C 0.33-0.37；Si 0.16-0.26；Mn 0.45-0.55；Cr 4.8-5.2；Mo 2.2-2.6；V 0.51-0.58。
根據前述申請專利範圍中任一項之鋼，其中該回火麻田散鐵及/或變靭體封包具有40μm、較佳20μm、更佳15μm的最大尺寸。
根據前述申請專利範圍中任一項之鋼，其中該硬相包含M ₆C、M ₇C ₃、M ₂₃C ₆以及MC，其中M係Cr、Mo、V以及Nb中之一或多者金屬且其中該硬相、除了C以外，可包含N以及B。
根據前述申請專利範圍中任一項之鋼，其中硬相的量係3-8vol.%及/或該硬相的最大尺寸係3μm。
根據前述申請專利範圍中任一項之鋼，其中處於退火條件的該鋼具有不高於300 HB、較佳不高於250 HB的硬度。
根據前述申請專利範圍中任一項之鋼，其中處於退火條件的該鋼具有180-250 HB、較佳190-230 HB的硬度。
根據申請專利範圍第10項之鋼，其中該鋼滿足以下V1000(HSS)>35m/min的機械加工性值。
一種製造鋼的方法，其包含以下步驟：a)提供鋼，其具有如申請專利範圍第1-6項定義的組成，b)使該鋼經受熱變形，c)使該熱變形的鋼經受970℃至1050℃範圍溫度的熱處理2-8小時，以使該鋼奧氏體化，d)將該鋼冷卻至70-220℃的溫度，以得到麻田散鐵及/或變靭體結構，以及e)將該鋼再加熱至A _c1-100℃至A _c1溫度2-10小時。
根據申請專利範圍第13項之製造鋼的方法，其滿足以下條件中之至少一者：步驟c)的溫度為980-1030℃，步驟e)的再加熱溫度為A _c1-50℃至A _c1-10℃且持溫時間為4-8小時。
根據申請專利範圍第13或14項之製造鋼的方法，其進一步包含以下步驟：f)使該鋼從980-1080℃的溫度硬化，及視情況選用的g)使該鋼回火。