TW528811B - A martensitically hardenable steel and process for its production - Google Patents

Description

A7 528811 ____B7___ 五、發明說明（i ) 本發明關於一種可作麻田散鐵式硬化的鋼，它具有車交 佳的可切屑加工(zerspanen)性、良好的可焊接性、及高耐 腐蝕性，以及其應用。此外，本發明包括一種將具有較佳 之可切屑加工性的可麻田散鐵式硬化的鋼作熱處理的方法 ，該方法即使在物體橫截面很大時也能使之充分硬化。 在一般及工程上的需求的許多產物中含有塑膠，該塑 膠部分一般呈一定形狀，且具有表面性質。舉例而言，模 成形作業可將模料在模具部分中用加壓(Pressen)、射出力口 壓（Spritzpressen)、射出鑄造（Spritzgieflen)而達成。由客戶 作外觀判斷的塑膠部件重要表面性質主要在模製成形時由 所用的工具的表面品質決定。 所用於作塑膠料模製成形的工具以及用於作夾緊元件 者，如框與類似物，一般係爲鋼製的物體或部件，特別是 使用可用麻田散鐵方式硬化的鋼。在將這種鋼製備時，對 於上述的目的，一方面要考慮開模者的利益，另方面要考 慮模具使用者的利益。 開模者希望使用倉儲的由熱均化之棒狀或板狀材料構 成的儘可能實心的工作物在短時經濟地製造塑膠成形模與 相關部件，如此，一方面同時使廢棄物很少而藉省卻熱處 理而減少生產成本，另一方面，在由已經均質化過的材料 製造時，對於模具使用者而言，要提供特別的尺寸準確性 的塑膠模具或部件，因爲在模製造後，隨後作熱處理造成 之模具的延遲現象須避免。 在熱均質化的起始材料方面，開模者特別要求良好的 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ' --- ------------裝--------訂---------^e_wi f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 528811 A7 --------；_B7 —__ 五、發明說明（y) 可切屑加工性，以便容易加工並使塑膠部件達成充分的表 面品質。此外還要求所用的材料完全充分硬化，如此沿整 個橫截面的範圍，由此所製的塑膠模可達成均勻的機械性 質。 對於模具使用者而言，基於經濟理由，除了要有良好 的可焊接性以作廉價製造以及特別是要使模具能修理外， 材料的耐腐蝕性也是一個重要的特色。只有用充分耐腐蝕 的鋼製造的塑膠模具與模製部件才適合常常使用於有中間 儲存時間及/或長期操作的用途。由於有塡充劑，特別是 由於塑膠的雜質，例如一種由一種酸催化的聚合作用造成 的酸所致，使模具的表現常常與會引起腐蝕的侵蝕性化學 品接觸。 習知技術中，要製造具較高耐腐蝕性的塑膠模，係使 用鉻含量大於12%重量的鋼。這種鋼的習知類型爲DIN材 料號碼1.2085、1.2314或1.2316的合金。這種鋼在鉻含量 至少14.0%重量時，碳含量爲0.33%重量或更多。這種高 碳含量在形成碳化物時，會使母質(Matrix)中鉻濃度減低， 因此使耐腐蝕性降低，特別是在碳化物的環境(Umfeld)中 尤然。 爲了達到較佳耐腐蝕性，完全使用較低含碳量的鋼， 例如DIN材料號碼1.4005的鋼。在美專利US 6,〇45,633 也提到用一種低碳麻田散鐵式的鋼製造塑膠模具。這種鋼 除了含鐵及與製造有關的雜質外’還含有（重量百分比） 1.0 〜1.6% 的錳、0.25 〜10% 的矽、〇·5 〜1·4% 銅、12·〇 〜 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) t--------tr---------·· 528811 A7 _- ____ 五、發明說明（4 ) 14.0%鉻、0.06〜〇·3%硫，以及其他元素。在這種合金中， 除了減少含碳量外，還利用銅提高耐腐蝕性。但這種量的 銅含量在材料熱成形時卻會造成很大的問題，且特別會在 加工的材料的表面形成細裂痕，這種裂痕又有利於縫隙腐 蝕。 這種用於做塑膠模具及類似部件的習知鋼就機械性質 及腐蝕化學性質方面可對於開模者及模具使用者的多方需 求加以考慮到，但在這種材料，往往發現，其可切屑加工 性不足。此外，事實顯示，由這種合金製的工作物在熱優 質化(Vergiitung)淬火再回火的熱處理，藉硬化改善鋼品質 時’可能很難充分硬化，主要是在橫截面大的實心物體， 例如在生產技術上有利的鍛壓棒正是如此。如此會造成由 這種材料製造的模具的不均勻的機械性質以及在模具中造 成弱點位置，這種弱點位置由於目前的材料需求而很明顯 〇 本發明的目的在提供一種可用麻田散鐵式硬化的鋼， 該鋼同時具有良好的可焊接性，高耐腐蝕性及較佳的可切 屑加工性。 本發明另一目的在提供一種具較佳之可切屑加工性的 可麻田散鐵式硬化的鋼的熱處理的方法，即使在物體的橫 截面很大，也能充分硬化。 最後，本發明之一目的在本發明這種鋼的應用。 要提供一種具有較佳之可切屑加工性、良好的可焊接 性’與高耐腐蝕性的可麻田散鐵式硬化的鋼，這種目的係 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂---------. 528811 A7 _____._ B7 __ 五、發明說明（今） 利用一種可用麻田散鐵方式硬化的鋼達成，該鋼含有以下 成分（重量百分比）； 0.02〜0.075% 碳 0.1〜0.6% 石夕 0.5 〜0.95% 锰 0.08 〜0.25% 硫 最多0.04% 磷 12.4 〜15.2% 鉻 0.05 〜1_0% _目 0·2 〜1.8% 鎳 最多0.15% 釩 0.1 〜0.45% 銅 最多0.03% 鋁 0.02〜0.08% 氮 以及可能有的一種或類種其他的合金元素，其量最多達 2.0%。其餘爲鐵以及製造條件有關的雜質，該鋼的組織中 肥粒鐵比例少於28%體積。 本發明的優點特別在於：利用配合設定的冶金工程措 施，所提供的可用麻田散鐵方式硬化的鋼呈增效作用 (synergetisch)的方式具有一種在組織中可利用熱處理依意 願調整的肥粒鐵比例，因此具有較佳的可切屑加工性，但 同時以碳含量0.02〜0.75%重量、鉻含量12.4〜15.2%重量 而確保有高耐腐蝕性及良好的可焊接性。在此，依本發明 ，主張鎳含量0.2〜1.8%重量，它一方面用於調整組織中 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------訂—------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 528811 _ B7___ 五、發明說明（< ) 的肥粒鐵比例。另一^方面由於錬與絡配合’故造成通返原 性化學物質的抵抗性，如此，本發明的鋼可達成高度化學 抵抗性。 要形成材料中能促進可切屑加工性的硫化錳’故依本 發明很重要的一點，錳含量爲〇·5〜0.95%重量，而硫含量 0.08〜0.25%，其中該錳與硫的含量比例配合設定成使之能 達到有利的可切屑性，同時有良好的耐腐蝕性。我們發現 一些證據顯示，锰含量少於0.5%重量時，會造成形成硫化 鉻的傾向，該硫化鉻對可切屑加工性有不利影響。反之’ 高錳含量高於0.95%重量時一般會形成無鉻的硫化錳。最 大高達0.01%重量的鈣可對該硫化錳內含物造成有利的各 向同性(isotrop)的形態。 鉬在0.1〜0.45%重量的範圍，這種銅含量有助於增加 耐腐蝕抵抗性。在此，該銅含量的上限爲0.45%重量，利 用本發明的鋼，到此上限爲止，工作物可達成良好的可熱 成形性，特別是鍛壓工作物尤然。 0.05〜1.0%重量的鉬含量用於得到所要的「轉變動力 機構」，以在麻田散鐵式硬化作業時使硬度提高，另外， 在上述的濃度範圍中，一方面顯示能抑制碳化鉻形成的利 點，另一方面可提高耐腐蝕性。反之，鉬含量高於1.0%重 量時，該工作物在某些溫度範圍中作熱成形程序時，抗裂 性會降低。 本發明的鋼的其他元素：碳、矽、磷、釩、鋁、與氮 的重量比例如申請專利範圍第1項所述。 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------訂---------AW1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 528811 B7 五、發明說明（U ) 合金成份，特別是如週期表第V與VI族的過渡元素金 屬的使用量總比例可高達2%重量而不會對可切屑加工性有 可見的不利影響，且還可能用於提高抗腐蝕性。 本發明的鋼在一較佳之實施例中含有〇.8〇〜0.90%重 量的锰與〇.1〇〜0.16%重量的硫。在這種Mn/S爲5.0〜 9.0%的重量比例的組成範圍中，可達成良好的耐腐蝕性， 並有特佳的可切屑加工性，這種效果係與該相關的硫化錳 粒子的球形的形態的影響有關。又，在一種Mn/S<3:l的化 學計量比例時，似乎也可能有利於略含鉻的硫化錳粒子形 成，如此，該材料可達成有利的耐腐蝕性質。 較高的鉻含量可大大改善合金的耐腐蝕性，而其可加 工性會稍微降低些。本發明的鋼有利地含有13.8〜15.0% (且宜爲14.1〜14.7%)鉻，在此組成範圍中可同時達到 所要的各種有利性質。 關於良好的耐腐蝕性以及準確的肥粒鐵比例調整以及 較佳的可切屑加工性，很重要的一點，係爲：本發明的鋼 需摻鎳製成合金，鎳含量爲0.25〜1.6%重量，且宜0.35〜 1.1%重量，特別是0.8〜1.0%重量。更高的鎳含量在將較 高溫時大多不利地使沃斯田鐵穩定化，反之，較低的鎳含 量在熱優質化時，對材料的轉變性質有不利影響。 在這種材料性質作最佳化的場合，銅含量0.25〜 0.35%重量顯示很有利。在此銅濃度範圍，由於這種合金 元素造成之耐腐蝕性的改善在熱成形的物體可達到最大， 其中，當銅含量更高時，則縫隙腐蝕性質漸增，這點可用 10 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) 裝--------訂--------- 參 A7 528811 五、發明說明（7 ) 形成細的表面裂痕解釋。 依本發明的材料的良好可加工性可在組織中肥粒鐵含 量高達15%體積的場合達到。但是也可用有利的方式用較 高的肥粒鐵比例（達10%體積以及達6%體積），而可加工 性只會稍微減少一點點，如此一個模具部件的機械性質（ 特別是垂直於變形方向者）提高。 另一目的在提供一種將可用麻田散鐵方式硬化的鋼作 熱處理而有較佳可切屑加工性的方法，該方法提供一種即 使橫截面很大也能充分硬化的物體，此目的達成之道在於 將一種鋼塊〔它具有以下的組成（重量％): 0.02〜0.075% 碳 0.1 〜0.6% 砂 0.5 〜0.95% 錳 0.08 〜0.25% 硫 最多0.04% 磷 12.4 〜15.2% 鉻 0_05 〜1.0% 鉬 0.2 〜1.8% 鎳 最多0.15% 釩 0.1 〜0.45% 銅 最多0.03% 銘 0.02〜0.08% 氮 如有必要，還可有其他合金元素，總量最多2·0%。剩餘部 分爲鐵以及與製造條件有關的雜質〕在第一步驟作退火 11 -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 528811 _____B7_ 五、發明說明（多） (Gltih)處理，以在組織中形成肥粒鐵並調整其比例，而在 第二步驟中以至少四倍的熱變形度將該鋼塊作熱變形’然 後在一道第三步驟中，將該鍛壓件作軟回火’然後作一道 熱優質化〔包含至少一道硬化處理及至少一道回火處理 (Anlafl)〕。 本發明的方法的優點在於：可提供一種熱處理的金屬 物體，它即使橫截面很大，也具有完全充分硬化的組織， 因此用這種工作物可製造具有均勻機械性質及高品質。這 種有利的充分硬化的作用主要是鎳與他合金元素配合之故 〇 在本發明的方法中，可在很大的範圍中調整組織中的 肥粒鐵含量，並因此影響工作物的可切屑加工性。 在所予之鎳含量0.2〜1·8%重量時，依本發明，可依 標的之方式各藉著選擇退火處理溫度與時間而將組織中肥 粒鐵比例從〇〜70%體積作調整。舉例而言，當退火時間充 分時，該肥粒鐵比例依鎳含量而定遵循以下的經驗方程式 0.5%鎳：肥粒鐵比例(%體積) = 0.345X退火溫度(。〇-370 (1) 1.0%鎳：肥粒鐵比例(％體積) = 0.355 X退火溫度(°〇 —390 (2) 1.5%鎳：肥粒鐵比例(％體積)=0.375 X退火溫度(°C) — 430 (3) 也可在該預設退火處理溫度將組織中的肥粒鐵用簡單 方式藉改變鋼中鎳含量而作調整。 如果該退火處理在1080°C與1350°C之間處理至少12 小時（且宜至少24小時）進行一一如事實證明這點是很有 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) · ϋ n ϋ n ϋ n n 一-OJ· ϋ I n l ϋ ϋ ft— I · 528811 A7 ___B7___—— 五、發明說明（f ) 利的--則可確保將肥粒鐵呈準確調整，且在材料一步加 工處理方面具有很有利的穩定性。 在本發明方式的其他有利的特點中，係藉一道退火處 理將組織中的肥粒鐵比例（體積百分比）調整到高達15% 。且宜高達10%，尤宜高達到6%體積，如此可達成所要之 良好的可切屑加工性同時有良好的強度性質。 我們發現，如果該鋼含有（重量百分比）13·8〜1.50% (且宜14·1〜14.7%)鉻及/或0·25〜1.6% (且宜0.35〜 1.1%，尤其是0.8〜1.0%)鎳，則依本發明所製工作物的 肥粒鐵含量可特別準確地確定，其中在這種與鎳的含量的 範圍中，可達到超越背景技術的耐腐蝕性。 如果一一如事實所顯示—一該鋼含有0.25〜0.35%重 量的銅，則材料的耐腐蝕性可特別改善。但銅濃度如超過 0·35%重量時，在材料熱成形時就會不利，且該部件的表 面品質會較低。此外當銅含量高於0.35%重量，則材料的 縫隙腐蝕（Spaltkrrosion，英：crevice corrosion)傾向會加大 〇 使用本發明的鋼在用於做塑膠成形模具的框結構時顯 得特別有利及經濟。由於有較佳之可切屑加工性、較高之 耐腐蝕性及良好可焊接性，故這種鋼適合用於經濟地製造 一些模具部件，它們在使用時有出色的高化學抵抗性及長 的使用壽命。事實證明，使用由本發明的合金製的鍛壓件 以製造f吴具或邰件特別有利’特別是從最大經濟效益觀點 〇 13 本紙張H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) t--------IT---------0. 528811 A7 ---------B7___ 五、發明說明（（〇) 本：發明在以下利用實施例（它們只作爲例子說明，但 不限制本發明範圍）說明。 第1圖係一座標圖，係該工具（模具）的磨損記號的 寬度與工具的使用時間（Standweg)的關係圖，該工具係分 別由本發明的鋼（用1〜3表示）及對照組的鋼（用4〜6 表示）製成。 要測試材料性質，使用依本發明所製的工作物與對照 (比較）工作物，其化學組成示於表I中。工作物1〜工 作物3各關於一種本發明的鋼，而用*〜6表示者係爲背景 技術所習知的對照鋼。 測試之工作物的化學組成（用％重量表示）（但與製 造條件有關控質未示出〕 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · ϋ ϋ ϋ n ϋ n^OJa ϋ ·ϋ n ·ϋ I ϋ 1 p 組成（％重星） 材料 6 元素 材料 1 材料 2 材料 3 材料 4 材料 C 0.05 0.04 0.06 0.34 〇.〇8 0.05 Μη 0.8 0.70 0.86 1.40 〇.8〇 1.35 Si 0.34 0.43 0.37 0.35 0.45 0.48 S 0.24 0.1 0.14 0.12 0.18 0.22 P 0.02 0.01 0.01 0.02 〇.〇2 0.02 Cr 13.9 12.5 14.5 16.0 12.8 12.6 Ni 0.63 0.4 0.95 0.65 Cu 0.15 0.25 0.34 0.95 Mo 0.1 0.25 0.92 0.15 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 一^ A7 528811 ____— B7 五、發明說明（u) V 0.06 0.03 0.09 0.08 A1 0.03 0.02 0.02 0.04 0.04 0.04 N 0.04 0.05 0.05 0.05 0.05 0.04 其餘 Fe Fe Fe Fe Fe Fe 將工作物作熱處理，該熱處理在第一步驟中係包含一 道在1080X：〜1350°C之間的15小時的退火處理，其中在 本發明的工作物在所予的鎳合量時經由溫度來調節所要的 肥粒鐵含量。在一第二步驟中，該工作物各在約以 6倍的變形度作锻壓，然後在590°C作軟退火。然後作一道 熱均化（包含一道在l〇2〇°C的硬化及一道在530°C範圍的 回火。硏究此工作物的充分硬化情形。此外測試可切屑加 工性及硏究其耐腐蝕性。 工作物的充分硬化情形係以定量方式在工作物的橫截 面沿橫截面的五條水平軸作五種測量而判斷。 相對於最大硬度値的硬度差，在本發明所製的工作牧1 各在最大±5%內，而「對照工作物」4、5、6的硬度差爲 ±10%之多。 要測定可切屑加工性，使用一個設有硬金屬翻轉切板 (Wendeschneidplatte)的圈餅形體銳具(Torusfraser)，其中 s亥 切削參數如下： 切削速度：350米/分 推進距離齒：0.3腿 利用本發明所達成的改善利用第1圖顯示，由其中可 看出在加工本發明的鋼時，工具的使用壽命大大提高。 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 裝--------訂--------- 528811 A7 B7 五、發明說明（ 在相同的化學組成的場合，利用本發明方法所製的工 作物顯示出組織中的肥粒體成份比高達約5%，故可較容易 加工。 耐腐蝕性的硏究，在第一測試系列中依德國工業標準 DIN 50〇21的塩檢查測試進行，其中求出在2小時及5 = 時的處理時間後求出被腐蝕的面積比例。所硏究的工作物 的檢體大小爲36cm2。 轰2 :依DIN 50021測試的工作物的耐腐蝕性 _被腐蝕之面積比例（％)__ 沖刷期間材料材料材料材料材料材料 (小時)_1_2_3 4 5 6 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 2 28 33 32 35 50 ---—-68 71 由本發明的鋼所製的模部件的焊接毫無問題 37 69 其他用本發明的鋼所作的測試顯示麵的結果，這些 鋼另外含有兀素週期表的第V、^族的金屬以外的其他合 金元素，高達約1.5%重量。 〔圖式之簡單說明〕 第一圖係材料1〜6的磨損與時間的關係坐標圖。 16 n n ϋ ϋ n I ·ϋ i ml ϋ i^i n I - 本紙張尺度個中國國家標準（CNS)A4規格X 297 ^

Claims (1)

1. A8B8C8D8 528811 六、申請專利範圍 0.35 〜1 · 1%錬。 5. 如申請專利範圍第1或第2項之鋼，其中： 含有0·25〜0·35%銅。 6. 如申請專利範圍第1或第2項之鋼，其中： 在組織中的肥粒鐵比例（體積百分比）多達15%，且 宜多達10%，尤宜多達6%。 7. —種製造可作麻田散鐵式硬化的鋼的方法，該鋼具 有較佳的可切屑加工性、這種方法提供一種物體，它即使 截面積較大也能充分硬化，這種鋼含有以下組成（重量百 分比）： 0.02〜0.075% 碳 〇·1〜0_6% 石夕 〇·5 〜0.9% 錳 0·08〜0.25% 硫 最多0.04% 磷 12.4 〜15.2% 鉻 0.05〜1.0% 金目 0.2 〜1.8% 鎳 最多0.15% 釩 0·1 〜0.45% 銅 最多0.03% 銘 0.02〜0.08% 氮 如有必要還含最多達2.0%的一種或數種合金元素，其餘爲 鐵及與製造條件有關的雜質，該方法：將一個具有上述組 —--:--__2 _— ___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(21〇 X 297公釐） ------------------------------------------訂----------------秦 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 528811 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 成的鋼塊在第一步驟時以1080°C〜135(TC的溫度多於12 小時的作一道多於12小時的退火處理以在組織中形成並調 整肥粒鐵成分，在第二步驟中將該鋼塊在1000°C作熱變形 ，然後在一第三步驟中在約590°c作軟退火，然後作一道 熱均質化，該熱均質化作業包含至少一道1020°C的冷却作 用的硬化處理及至少在530°C的回火處理。 8.如申請專利範圍第7項之方法，其中： 該用於在組織中形成肥粒鐵及調整肥粒鐵比例的退火 處理作業在1080〜1350°C之間進行，爲時至少12小時， 且宜至少爲時24小時。 9·如申請專利範圍第7或第8項之方法，其中： 利用該退火處理將肥粒鐵含量（體積百分比）調整到 最多可達15%，且宜多可達10%，尤宜多可達5%體積百 分比。 10·如申請專利範圍第7或第8項之方法，其中： 該鋼含有（重量百分比）13.8〜15.0%的鉻，且宜爲 14.1〜14.7%的鉻，及/或0.25〜0.16%的鎳，且宜含0.35 〜1.1%鎳，尤宜含〇·8〜1·〇%鎳。 η·如申請專利範圍第7或第8項之方法，其中： 該鋼含0.25〜0.35%重量的銅。 12·如申請專利範圍第1項的鋼，其係用於做塑膠模具 的框結構。 13·如申請專利範圍第1項的鋼，其係用於製锻壓件， 其厚度至少0.32m，而橫截面積至少〇.lm2，且係利用申請 __________2___ 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐) "~ 528811 蔻 C8 D8 六、申請專利範圍 專利範圍第7項的方法作熱處理，以利用切屑加工而製造 塑膠模具及/或模部件。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐) -------------------------------------訂---------------- (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁)