TW500810B - Cold work steel - Google Patents

Description

500810 B7___^_ 五、發明說明（/ ) 發明範疇 本發明是關於一種新的冷加工用鋼，也就是一種用於製 造冷加工工具的鋼。典型的運用有衝割(blanking)刀片，打孔 工具，深衝模等。 發明背景 冷加工用鋼的最重要特性是其應具有高硬度。對大部分 的應用而言，優良的抗硏磨性及對該應用足夠的韌性也是需 要的。爲了滿足這些主要的以及其他的需要，非常多的金屬 合金已經開發出來。大部分的這些合金，特別是當韌性比抗 磨損性更爲重要時，就會具有下列合金範圍的組成：0.8-1.2 的碳，0·2-1·2的矽，0.2-0.5的錳，5-12的鉻，0.5-4的鉬， 0-3的鎢，0.2-2的釩。再者，少許或適當地高含量的鎳，鈮 ，銅及/或鋁或許存在。後面形式的鋼，其包含適當而顯著含 量的鈮及鋁，係描述在US-A-5，160,553中。 發明槪要 本發明的目的是爲了提供一種冷加工用鋼，其具有一化 學組成，該組成是平衡的，以使得這種鋼滿足下列的需求： -其應容易以一種非粉末式的冶金方法製造，並且具有 優良的熱加工性質，使得在生產中可獲得高良率； -其應可以規格範圍從最小的尺寸，也就是Φ l〇mm或是 更小，至0 500mm或者是符合方形或扁平切面的尺寸來製造 -其不應包含任何大量粗的初級碳化物； -其具有優良的熱處理特性，該特性在其他意義中意謂 3 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) - — — — — III ^ ill — — — — — — . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 500810 A7 ___ _ B7 五、發明說明（Λ ) 該合金應可從一適當的沃斯田鐵化溫度被硬化； -其具有優良的可硬化性，也就是一種即使在大尺寸的 狀況下仍可全面硬化的能力； -其具有在熱處理及使用時優良的尺寸穩定性，後者的 狀況特別暗示其對於時效處理具有微小的感受性； -其應可關於回火而二次硬化，以達成60-64HRC的硬度 -其具有優良的表面沉積特性，該特性表示該合金應可 被氮化，特定硬化，及經由物理氣相沉積(PVD)及化學氣相 沉積(CVD)而表面覆蓋； -其具有優良的火花車削性(sparking machinability); -其具有適合的抗硏磨損耗性； -其具有適合的韌性； -其具有高壓縮強度；以及 -其具有優良的疲勞特性，優良的可切割性以及優良的 可硏磨性。 首先，測試在此技藝中已知的一系列冷加工用鋼。這些 鋼的化學組成如表1所示。 IIIIIIIIIII — I I I I I I I ^ ·11111111 ΙΑ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 500810 A7 B7 五、發明說明（B ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 表1先前 •技毫 藝鋼經測 1試後化學組 .成的重量百分比％ 繼_ m m 鏺 鱺 m 鱺 Μ m m 纖 m u 1 «η 00 m 喊 CN S d (N s d ^Ti o d m 〇〇 k S O m s ο v〇 S d o o o o o ο g ο ON Ο m Ο ο 0 »Ti 〇 〇 o o TIF 破 g d s d s ο os o ο 5 m 4< ^ ®K o .鬆 2 o o »η ο ο <Ν Ο ο 賴 cs 〇 OS d d <N d JO ο o O c4 ο <Ν ο 寸 <Ν νο »η ό o oo ^ o “ oo d o o oo o o S ο s o Ο ι-*4 CN ν〇 (Ν 壤 m 〇 g d 題 落· o (N ζ <N >n »η § ΟΝ cn 丨 H-_j"4 1 o o 卜 Os c> c> o 騮 m d d νο ΓΛ Ο v〇 寸 〇· Os CN d 製 m 6 〇· 〇〇 寸 m CN 00 (N ΓΛ OO νο (Ν 00 v〇 (N 00 o 00 Ο 00 in f-«4 »Λ 〇 ―(ν| OS Ψ·^4 Ψ^>4 灌 o o o § Ψ"""4 〇 o τ-^ ο ο o o »n O d 搫 ΙΤί ^ S 〇 酿 〇 Ψ^4 Ο Ο Ο o s o in S d S o ο ο 00 p d (N CS 〇 m 〇 +< s 蝤 〇 S Ο m in O o 对 o o o 寸· ο d o ο 沄 Ο cn CN d ό »η (N rt ο ο 00 m ο CN d ON OO o »n 〇s o 苳 ο g d p ρ ο <Ν tn CN d C> Ο — 寸 d 〇· ιη (Ν ο 磐 o s d 00 os d »η ΟΝ Ο s 1ΜΜ·4 ON d 〇· (Ν »n ο ο § 驪：!？躍 CN in 卜 00 ON ο 5 - ----------§ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) — — — — — — 線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 500810 A7 ______ B7 五、發明說明（A ) 表中的鋼是被測試或比較於參考的微結構，包含夾雜 物的種類及特性，對熱處理的反應，可硬化性，在沃斯田 鐵化處理及回火處理後的硬度，尺寸的穩定性，火花車削 •性，以衝擊強度與彎曲強度而言的韌性，抗硏磨損耗性， 壓縮降服點，可硏磨性，及可切割性。 這些被測試的鋼，沒有一種是具有在各種方面所需特 性的組合。 之後，就達成的結果來看，在後續發展的工作中，設 計一系列修訂過的需求，其中首先考量硬度與碳化物體積 對於韌性與抗損耗性的影響。在這個發展工作的第二階段 中，更仔細地測試如何在碳，氮，錳，釩及鉬含量的少量 變化會影響如此多的重要特性，如韌性，對熱處理的反應 ，可硬化性，二次硬化，抗回火性及抗損耗性。在本工作 中，製造了七個50公斤的實驗室熱塊(laboratory heats)， 具有根據表2的重量百分比的化學組成·。 表2化學組成的重量百分比％ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 鋼材 編號 Q-熱 編號 碳 矽 鎰 磷 硫 鉻 鉬 釩 氮 餘量 12 9020 0.96 0.81 0.50 0.007 0.005 7.18 2.97 0.41 0.016 鐵 13 9021 0.98 0.95 0.47 0.008 0.005 7.05 2.90 0.41 0.016 鐵 14 9024 0.92 0.93 0.53 0.009 0.005 7.06 2.53 0.40 0.074 鐵 15 9021 0.97 0.91 1.04 0.007 0.005 6.85 2.34 0.41 0.027 鐵 16 9023 1.03 1.06 1.20 0.008 0.005 6.97 1.99 0.66 0.047 鐵 17 9038 0.90 0.84 0.49 0.006 0.005 6.69 2.45 0.44 0.023 鐵 18 9039 0.85 0.86 0.47 0.007 0.004 7.28 2.46 0.43 0.022 鐵 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 500810 A7 B7 五、發明說明（女） 所有的熱塊被鍛造成棒狀6〇x60mm。材料的測試顯示 :一種滿足上述提昇的不同特性最佳需求的鋼，應具有下 列的重量百分比組成：0.82-0.97的碳，0·70_1.1〇的矽， 0·38-0·62的鍤，至少7.6但少於8.0的鉻，最多〇.40的鎳 2.30-2.70的鉬，最多〇·25的鎢，0.35-0.55的釩，其餘爲 鐵和一般含量的雑質與附屬元素。再者，這種鋼正常包含 最多〇·15的氮，最好最多是〇.〇3的氮，最多〇.3〇的銅， 及最多6ppm的氫。鋁的含量必須最多0.1%，最好是最多 0.045%，但典型上，其等於〇·〇ΐ〇_〇·〇45°/。，如同來自於鋼 的去氧化(desoxidation)處理的殘留元素。一般而言，這種 鋼應包含0.92的碳，0.95的矽，〇·5的錳，7.8的鉻，2.5 的鉬，0.45釩。 就這種鋼的微結構而論，在1000-1080。(：的沃斯田鐵 化處理後，冷卻至室溫並且在180-650°C回火一或數次， 則其包含回火的麻田散鐵，包含3-6%的體積百分比的總碳 化物，最好是3-5°/。體積百分比，其中〇·25-0·45%體積百分 比包含MC碳化物，其他基本上爲M7C3碳化物。適當而言 ，主要碳化物的量大約是4%體積百分比。 本發明的鋼可以經由一種傳統熔融物生產的方式製造 ，該熔融物被鑄成塊，這些鑄塊可被熱加工成棒狀，板狀 等等，而可被製成工具或其他物品，其可被熱處理以達成 最終產品具有所需特性的組合。這種傳統鑄塊的生產可以 補充以任何後續的熔融冶金製造步驟，例如電熔渣精鍊 (Electro Slag Refining，ESR)，或另一種熔融物固化液滴的 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 500810 A7 _____B7_ 五、發明說明（6 ) 鑄造累積，這種製程是以0sPrey的名稱被知悉。 本發明鋼之更進一步的特性及方面’將於後附的申請 專利範圍與後述進行的實驗中變得明顯。 圖示簡述 在後述進行的實驗中參考圖示，其以一種圖形格式說 明有關於將超高強度金屬片打孔的打孔損耗相對於打擊次 數的關係。 進行的實驗說明 本發明的鋼是要用來做爲冷加工工具的製造。冷加工 工具的使用，例如汽車工業的薄鋼板的衝割，打孔，壓縮 ，彎曲。在此領域之中，新的超高強度鋼在最近幾年中已 被開發出來，這些鋼的其中之一已被SSAB Tunnplit AB所 開發出來，並且以商標名稱Docol™ 1400DP而知名，並且 除了鐵與不可避免的雜質外典型還包含重量百分比形式： 0.18的碳，0.50的矽，1·80的錳，0.015的磷，0.002的硫 ，0.040的鋁和0.030的鈮。這種鋼是以〇·50到2.00mm的 規格製造，在其交付條件中具有如表3所述的機械特徵。 — — — — — — — —111 — 篇 I I I I I I 瞧 111 — 1 ,^ —^^^1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 質 性 機 的 料 材 Η 加 3 表 鋼的等 降服強度 2%的形變 抗拉強度 延長度 對於90° 級 Rp0.2 或 ReL 與烘烤硬化 Rm Αδ〇 彎曲的最 N/mm2 170°C/20min N/mm2 % 小半徑 最小値-最大 後的降服強度 橫向 値 Rp2.0+BH N/mm2 最小値·最大 最小値 最小値 値 Docol™ 1400 DP 1200-(1450) 1350 1400-1600 3 4.0Χ厚度 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 500810 A7 ___B7 五、發明說明（1 ) 在側撞防護系統，保險桿強化物，座位骨架與樑架以 及汽車的其他結構部分等的細部，是這種鋼的典型用途。 在完成的調查中，其目的在於評估這種鋼做爲用來對於這 類鋼產品生產的可行性，以及比較這種鋼與其他運用在冷 加工工具而商業上可取得的鋼的特性。 這些被測試鋼的化學組成列於表4。第19號鋼是本發 明的一種鋼。這種鋼被製造成一電弧爐中的35噸的生產熱 塊。這鋼被鑄造成塊，其被鍛造且滾軋成棒狀。鎳，鈮，欽 及銅的含量是來自於所用的原材之殘留物，並且是非刻意的 。鋁被添加以用於鋼的去氧化。第20號鋼是根據上面所述 的US-A-5，160,553鋼，其是被其他生產者所製造。這種鋼可 在市場上取得，已被申請人分析其化學組成。第21，22及 23號鋼是市場上的鋼，是申請人所製造的。在表4中所述第 21-23號鋼的含量是名義上的含量。第21號鋼是一種傳統製 造的鋼，而第22及23號鋼是粉末冶金所製造的鋼。除了在 表中所述的不同元素的含量之外，這些鋼也包含來自於用來 做爲這種鋼之製造原料的正常含量雜質。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 9

-n n ϋ ^ ^^eJI n >1 n n ^ n ^ I ϋ ϋ I n I I I ϋ I I I ! ϋ n I n n ϋ «I ϋ ·1 I 500810 A7 B7_五、發明說明（？）表4化學組成的重量百分比％ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 繼_1 臌 Μ m m m 祕 1 φ迄 伥Φ迄 臟 1 φ迄 長Φ迄 0.025 0.891 騷 0.69 0.07 0.006 0.0052 0.002 0.14 0.48 0.51 00 〇 O 5.35 纖 0.036 0.091 題 2.59 2.19 00 d »n 驩 0.12 0.22 缠 8.07 8.85 12.0 o 00 00 vd 海 0.0007 0.0001 ο s d VII ^0.015 o d VII 0.021 0.021 o s d VII ^0.02 ^0.02 m 0.52 0.39 cn o 寸 C> 〇 as 〇 0.79 cn p o 磐 0.91 in in 2.07 1 2 (N CN m CN 10 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -丨 III ! i 訂-丨 I! — — · · 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 500810 A7 ___B7___ 五、發明說明（，） 具打孔直徑l〇mm的打孔器是由第19-23號鋼棒所製 造出來的。鋼棒尺寸是列於表5。所有的打孔器是取自於 鋼棒的中央部分以及橫向的部分，打孔器的縱向與鋼棒高 度方向相符合。該加工材料包含上述的Docol™ 1400 DP， 厚度爲1.0mm。該材料被冷滾軋與熱處理，以達成高強度 的目標，並且因此對於抗硏磨損耗性與延展性/韌性具有優 良的指標。該打孔操作是在15噸的出中心(excentre)壓力 下進行。打孔速率是每分鐘打擊20Ό次；打孔變化 (punching play) 6% ;沒有潤滑。損耗的量測是藉由稜鏡的 使與，量測打孔前後弧度的偏差。這種差異被換算成//m2 的數字，其代表了損耗程度。 表5列出了測試參數以及在200000次的打孔衝擊之 後所記錄的打孔損耗。該表也描述了這些工具的熱處理， 所有的工具都由所述沃斯田鐵溫度(TA，如該表中所示）而 硬化，並且在冷卻之後回火兩次，每一次2小時，在該表 所給予的回火溫度中。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -11!1 訂·！ ！線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 表5 鋼材 編號 打孔損耗 (#m2) 棒尺寸 (mm) 硬度 (HRC) 熱處理 19 13125 154X76.2 60 TA=1030oC/30mim+550°C/2X2h 20 36105 200X 100 59.5 TA=1050oC/30mim+550oC/2X2h 21 18743 250X80 60.5 TA=1020oC/30mim+550°C/2x2h 22 9618 250X80 60 TA=1020oC/30mim+525°C/2 X 2h 23 7790 250X63 60.5 TA=1020oC/30mim+525°C/2X2h 11 F— I I I I . 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 500810 A7 B7 五、發明說明（) 在圖示之中，顯現出在完整的打孔測試過程中的損耗 。其結果可以被下列的方式解釋。粉末冶金製造的第22及 23號鋼具有足夠的延展性，以避免打孔器邊緣的微碎裂 (microchipping)，並且第23號鋼的最小摩擦損耗是由於其 中含有較高含量的釩。本發明的第19號鋼具有優良平衡之 合金元素的化學組成，也具有平衡的特性組合，在此摩擦 損耗主宰了打孔邊緣的微碎裂。其抗磨損性是比實質較高 合金化的第21號鋼優良，並且是可以與唯一粉末冶金製造 的第22及23號鋼相比擬，後者含有較高釩含量。更特別 的是，第2〇號鋼具有打孔器邊緣微碎裂的明顯傾向，其解 釋了爲何該材料在測試中是比較差的。 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297.公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

Claims (1)

1. 500810

   f 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1·一種冷加工用鋼’其特徵在於具有以下的化學重量 百分比組成： 0.82-0.92 的碳 從微量到最多1.1〇的石夕 從微量到最多0.62的Μ 至少7.6但少於8·〇的鉻 2.30-2.70 的鉬 0.35-0.55 的釩 其餘爲鐵以及在鋼的製造中呈殘留元素形式之正常含量 的雜質。 2如申請專利範圔第1項之冷加工用鋼’其中包含至 少0.70的矽以及至少〇·38的錳。 3. 如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含最 多0.2 5的鶴。 4. 如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含最 多0.40的鎳。 5. 如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含最 多0.15的氮。 6. 如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含最 多0.03的氮。 7. 如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含最 多0.30的銅。 8·如申請專利範圍第i項之冷加工用鋼，其中包含 0.85-0.958.的碳。 1 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） * I-------I--I · I I I I--I ^ ------I I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 500810 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 9·如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼’其中包含 〇·46-〇·54 的錳。 10·如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含 2.40-2.60 的鉬。 11·如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含 〇·4_〇·5 的釩。 12·如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含0-〇 · 1的銘。 - 13.如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含最 多0.045的鋁。 14·如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含 0·010-0·045 的鋁。 15. 如申請專利範圍第1項之冷加工用鋼，其中包含0.92 的碳，0.95的矽，0.5的錳，7.8的鉻，2.5的鉬，〇·45的 釩。. 16. 如申請專利範圍第1-15項中任一項的冷加工用鋼， 其中經過1000-1080。(：的沃斯田鐵化，冷卻至室溫並且於 180-650。(：熱處理一次或數次後，其包含3-6%體積百分比 的碳化物，其中0.25-0.45%體積百分比的MC碳化物以及 其它基本上爲M7C3碳化物。 17. 如申請專利範圍第1-15項中任一項的冷加工用鋼， 其中經過1000-1080。(：的沃斯田鐵化，冷卻至室溫並且於 180-650°C熱處理一次或數次後，其包含3-5%體積百分比 的碳化物，其中0.25-0.45%體積百分比的MC碳化物以及 2__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 費 "丨一----I-----------訂------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 500810 A8 B8 C8 D8 __ 六、申請專利範圍 其它基本上爲M7C3碳化物。 18. 如申請專利範圍第1-15項中任一項的冷加工用鋼， 其係用於冷加工工具的製造。 19. 如申請專利範圍第18項之冷加工用鋼，其係用於 衝割、打孔或形成片狀金屬。 20. 如申請專利範圍第18項之冷加工用鋼，其係用於 加工結構元件，較佳的是鋼片。 21·如申請專利範圍第18項之冷加工用鋼，其係用於 加工片狀金屬，以做爲汽車工業，漂白織物(white g〇ods) 工業及電子工業中的結構元件。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 本紙張凡度適用中國國家榡隼（CNS ) A4規格（210X297公釐）