TWI435938B - 用於堅實零件的高特性鋼 - Google Patents

Description

用於堅實零件的高特性鋼

本發明係關於一種高強度鋼，其特別是要用於製造大尺寸零件(例如用於塑膠材料之塑模零件)，工具零件(例如鋼模)，或磨損零件(例如耐磨耗零件)。

對於很多應用而言，受到高應力或極高磨損負荷之機械零件必須從具有相當於300至500HB硬度之機械強度但仍必須保持足夠的韌性、可機械加工、可熔接等的鋼來製造。這些零件通常藉切割及機械加工大厚度之板或塊而獲得。具有一般平行管形狀之塊藉鍛造鑄塊而獲得。藉滾壓鑄塊或厚板以獲得板。

對於這些通常為平行管形狀的物件而言，厚度是最小的維度。對於所論之塊或板而言，厚度是大於10mm且可以如1公尺般厚。

由於偏析作用，常在由上述鋼所組成之此型的塊或板上觀察到硬點的存在。此偏析作用對應於因鑄塊(由彼製造塊)的固化現象所致之化學組成的局部變化。這些硬點具有數項缺點。彼等可以具有使均勻之機械加工及拋光變困難的效果，且這可能在注重幾何精密性及表面品質之零件製造時造成難題。這些硬度變化也可以具有產生易脆區的效果，這些區可以是開始龜裂的位址，以致危害零件之整個韌性且危害零件熔接性及零件熱切割之適用性。

所討論之零件的此部份愈大，則這些偏析問題愈顯著。特別是在具有可以高達數十公分或甚至超過1公尺之部分的零件的情況更是如此，這特別是因為需要添加大量之合金元素以獲得足夠之淬火性而能製造此種零件。

為降低這些偏析區之尺寸，有時使用電熔渣再熔化型(electroslag remelting,ESR)或真空再熔化型之鑄塊製造方法。這些方法對於獲得極均勻之大尺寸且因此具有令人滿意之使用性質的零件，是特別有效的。然而，彼缺點是極昂貴。因此，這些方法基本上是用於極高效能之零件，這些零件由於其用途，可以使極高之製造成本合理化。

為降低此偏析之效果，也已建議使用勻化熱處理。這些熱處理之目的是要藉由化學元素從最高含量區擴散至最低含量區，而降低化學組成之局部變化。彼缺點是需時極長且因此是極昂貴的。

本發明之一目的是要藉提出一種用於獲得高機械特性(此可以高達400HB，甚至450HB，即使在極鬆散之零件的核心中)，同時因偏析(segregation)所致硬度方面的變化相對輕微的鋼，而克服這些問題。

本發明因此關於一種高強度鋼，其化學組成包含按重量計之以下物質：

0.03%≦C<0.2%

Si≦0.49%

3%<Mn≦4%

Ni≦0.9%

1%≦Cr≦5%

Mo+W/2≦1%

Cu≦0.9%

S+Se/2+Te/3<0.020%

Al≦0.1%，

其餘是鐵及製造所產生之雜質。

較佳地，該化學組成滿足以下條件之一或多者：

Cr>2.5%

Cr<3.5%

Ni<0.5%

Cu<0.4%

Mo+W/2≦0.3%

特別地，在一較佳具體實例中，於化學組成中：

2.7%≦Cr≦3%

Mo≦0.3%。

本發明也關於一種依本發明之鋼塊或鋼板，其具有大於10mm之厚度及變韌體、馬丁體-變韌體或馬丁體結構，且因偏析脈(segregated veins)所致之鋼塊或鋼板之較硬區及較不硬區之間的硬度差是低於鋼塊之平均硬度的20%。

本發明最後是關於一種製造本發明之鋼塊或鋼板的方法，其中在藉鍛造或滾壓以熱塑變形的成形之後，藉空氣冷卻進行淬火；或進行奧氏體化作用(austenitization)，接著藉空氣冷卻以進行淬火。

本發明特別適於製造具有大於10mm厚度且通常大於20mm厚度的板或塊。此厚度可以超過100mm，且甚至超過150mm，甚至300mm，且甚至500mm。彼可以厚達1公尺。

本發明現在將更詳細地但非限制性地參考所附之單一圖示來描述，且將藉實例來說明。

為製造具有極大厚度的零件(厚度是大於10mm，且可能是如500mm般厚，或甚至超過1公尺)，且為使核心及表面之間有完全均勻的平均硬度，需要使用具有足以獲得均勻結構的淬火性且無須於過度嚴苛淬火介質中進行淬火的鋼。淬火介質愈嚴苛，在塊內之冷卻速率的變化愈大，且因此獲得不均勻結構的風險也愈大。若淬火性是恰當的，則另一方面，空氣冷卻及特別是靜止空氣冷卻其使表面及核心之間的冷卻有相對適度差異導致令人滿意且因此是完全均勻的結構。這些淬火條件對於因偏析所致之硬度的局部變化顯然無直接影響。

為達成恰當之淬火性，通常認為必須使用具有高合金元素含量的化學組成物。然而，這些合金元素具有引發可能明顯之偏析的效果。

雖然通常認為：合金元素偏析傾向愈大，則其對偏析脈硬度差的影響也愈大；本發明人以完全新穎的方式意外發現：在合金元素中過度硬化成偏析脈的強度及這些合金元素每一者個別偏析的傾向之間並無關聯。

合金元素的偏析傾向及其對偏析脈硬度的影響藉以下測試來說明，在此測試期間，鋼分成6批被澆鑄成3公噸的鑄塊，該等鑄塊具有表1中所示之以10^-3 重量%表示的組成。

這些鑄塊被滾壓成50mm厚之板，而此板被割成樣品，且測量樣品之平均硬度及因偏析所致之硬化。由每一板所取得之樣品，一方面以具有馬丁體結構的冷卻狀態被檢查，另一方面以已在500℃溫度回火而具有回火馬丁體結構的狀態被檢查。

在每一樣品之偏析脈中同時測量以下：

-藉由微探針測定，測定每一不同合金(Si、Mn、Cr、Mo、Ni)之平均偏析程度。每一元素固有之偏析傾向係以平均偏析脈組成Cv及澆鑄期間之組成C0間的差對後者之值的比例而定之(亦即：(Cv-C0)/C0)；

-藉由在300克下之一般的Vickers型測試，測定偏析脈之平均硬度。過度硬化成脈係對應於脈之平均硬度及在脈之外的周圍基質的硬度之間的差。藉由隨後比較這些澆鑄對的測量，可能推論：對於助成過度硬化成脈可以具體歸因於每一合金元素的偏析作用。

可歸因於元素之過度硬化成脈的比例是此元素之偏析作用的結果；換言之，在定義上是此元素之表觀含量及其偏析程度的乘積。因此，藉由在每一情況中，將對過度硬化之助成與相同參考程度的表觀含量(隨意地選擇0.2%)相關連，而有效地比較各元素在這方面之危害度。

因此，藉由實例，在澆鑄1及3(具有1.5%及2.8%之Mn)間所發現之33HV的平均硬度差獲得：對於0.2%之Mn而言，估計有33×(0.2%/1.3%)=5Hv之過度硬化(參考下表)。

結果顯示於以下表2中。

在以下表3中以定性詞彙表示出各元素對偏析之固有傾向及其對硬化成偏析脈的效果。

這些結果顯示：與一般所接受之想法相反地，為達成極良好之淬火性與輕微之偏析，想要選擇一種包含大量錳、少量鉻及少量鉬的組成物。提供大量的鎳也是有益的。然而因為鎳是一種極昂貴的元素，較佳使用錳而非鎳。

這些結果顯示：為產製用於製造具有高特性且具有相對輕微之因偏析所致之硬度變化的極大尺寸零件的鋼，欲使用組成滿足以下條件之鋼：

-碳：0.03重量%至0.2重量%。此元素具有影響馬丁體硬度之主要效果，其含量因此與零件中所要之硬度相關地來選擇。為測定與所要之硬度相關的碳含量，硬度等級例如可以分類成40HB、320HB至440HB的各部分。這些範圍約對應於耐磨耗鋼或工具鋼之使用範圍。

也可以考慮以下碳含量範圍：0.03%至0.06%之碳，0.07%至0.15%之碳，及0.16%至0.20%之碳。硬度範圍對應於這些碳含量範圍之每一者；對於一特定之熱處理，依照鋼是否已在約550℃下回火或尚未回火或僅接受在實質上低於500℃之溫度下之處理，對於相同碳含量者的硬度並不相同。通常，硬度之最低範圍對應於最低碳含量且硬度之最硬範圍對應於最高碳含量。然而，對應於硬度之這些碳含量範圍之邊界隨著其他合金元素的含量，冷卻速率，以及對零件所進行之熱處理而稍微變化。

此種分割藉由組成中除了碳之外尚包含0.15%矽、3.3%錳、3%鉻及0.25%鉬的鋼的實例來說明。圖1顯示：對於在前熱滾壓之後的900℃標準化後已經空氣回火的鋼塊而言，硬度隨著碳含量的發展。第一塊在480℃下被回火且第二塊在550℃下被回火。如圖中所示的，在480℃溫度下被回火的塊具有360HB之硬度及0.1%的碳含量；然而，在550℃下回火之相同的鋼僅具有320HB之硬度。類似地，若鋼含有約0.2%之碳，則在480℃下回火之塊具有約440HB之硬度，然而，在560℃下回火的塊具有375HB的硬度。0.03%之最小碳含量對應於一個值，低於此值時，硬化偏析作用及由於彼之減少所得的益處是輕微的。要注意：一旦其溫度不再實質上超過480℃，則所得之硬度藉應用回火而變化的程度極微。這些結果也可應用至板。

-矽：此元素特別在生產時用於使液態鋼浴脫氧，含量通常大於0.025%，且較佳大於0.05%，或甚至可能超過0.1%。然而，此元素之含量必須低於0.49%，較佳低於0.35%且更佳低於0.19%，且在可能之情況下，由於浴之脫氧的需要，必須低於0.1%。矽是一種易於極明顯地增加鑄塊頭(head)之固體偏析(稱為主要偏析)的元素，而此種固體偏析有加深偏析脈之功能，而此功能愈大，在鑄塊頭之偏析作用愈大。此外，矽易於破壞鋼之導熱性，且此現象在一些應用中(例如用於塑料模製之塑模)可能是不利的。最後，矽不利於可逆回火之脆性的敏感度，此情況特別是在產物之冷卻速率低的時候應被考慮且此情況在此種鋼之所討論的應用中確是如此。

-鉻：此元素對於淬火性具有有利的效果，且因其形成碳化物之傾向，對回火期間的抗軟化性具有有利的效果，且其對偏析脈之過度硬化的效果遠比鉬或鎢者更少。彼之必須添加量較佳大於1%，且更佳大於2.5%，但必須低於5%且較佳低於3.5%且甚至更佳在2.7%至3%間以獲得合適之淬火性及令人滿意之抗回火軟化性，且不導致偏析區之極端的過度硬化。

-鉬及鎢：此二元素具有極明顯之形成碳化物的傾向而促進回火期間的高度抗軟化性，但缺點是對偏析區之過度硬化有極明顯的影響。因此，因為在2%鎢對1%鉬之比例下，鎢之效果與鉬之效果相同，Mo+W/2之和將限於1%，較佳是0.5%且甚至最大為0.3%。

-釩、鈮：因為這些元素對於偏析區的過度硬度有極端令人不想要的影響，鋼將不接受釩或鈮之蓄意的添加，但此二元素可能以殘留物之狀態存在，釩含量必須低於0.010%，且較佳低於0.005%，且鈮含量必須低於0.050%，且較佳低於0.010%。

-錳：此元素對淬火性具有極有利的效果且對偏析區之過度硬度有極恰當效果的優點。因此，較佳使用錳以獲得淬火性。因此，錳含量在3%至4%之間，使錳及碳對淬火性之結合效果是恰當的。

-鎳：此元素對於淬火性具有有利的效果響且對偏析區之過度硬度有適度的效果。然而，此元素是極昂貴的，以致其含量是低於0.9%，較佳低於0.5%，且甚至更佳僅是殘留程度。

-銅：常以殘留物形式存在之此元素的含量必須低於0.9%，較佳低於0.4%，且更佳甚至低於0.2%，因為此元素對所討論之鋼的性質不具有特別有利的效果。

-鋁：此元素對於產製期間液態鋼浴之脫氧具有有利的效果，且在固態時，使奧氏體晶粒尺寸能藉氮化鋁之形成而被控制，其含量低於0.1%。若可能形成之硫化物(其可以形成作為表面崩解源的延長的網狀物)要被丸化，則較佳添加0.04至0.06%的鋁。

-硫、Se、Te：硫是一種至少總是微量存在之雜質，對於可機械加工性可以具有有利的效果。然而若含量過高，則彼對鋼之韌性且可能對鋼之拋光性具有不利的效果。在2份硒對1份硫的比例下，或3份碲對1份硫的比例下，硒及碲之效果與硫之效果相當。因此，特別在需要良好拋光性之應用中，S+Se/2+Te/3之和是微量狀態或高於0.005%，但無論如何係低於0.020%。

組成物之其餘物質係由鐵及產製所致之雜質所組成。

為製造由方才敘述之鋼所組成的零件，先製造具有所選之組成的鋼，然後此鋼被澆鑄成半完成產品(例如鑄塊)，其藉熱塑變形(hot plastic deformation)，例如藉鍛造或藉滾壓而成形。

然後，由此所得之形成鋼塊或鋼板的胚體(blank)以滾壓或鍛造之狀態被使用或在精於此技藝之人士所選之所要用途所適合的熱處理之後被使用。

滾壓或鍛造之狀態特別是用在例如製造在礦業或土木工程中欲抗磨損的零件的應用中，在該等應用中鋼之價格是極重要之選擇要素。

若想要更特定之性質，則藉由加熱至高於AC₃ 溫度之溫度(通常是約900℃)，將任意經切割或預先機械加工之滾壓或鍛造之零件、板狀或塊狀予以奧氏體化，然後，藉由在開放空氣中(特別是在靜止空氣中)或任意地在稍微較快速冷卻之淬火介質(但這並非想要的)中冷卻而淬火。奧氏體化接著空氣冷卻具有增加彈性限度對於抗張強度的比例的益處。

要注意：淬火處理視需要可以藉熱塑變形直接在成形熱中進行，若此處理已在合適溫度條件下進行。精於此技藝之人士曉得如何決定此等條件。

不管是否是由熱成形或再奧氏體化及緩慢冷卻所得之粗製品，鋼塊或鋼板可以有利地在高於450℃但低於550℃之溫度下進行回火熱處理。此種不會明顯地改變硬度的回火熱處理，具有降低槽內或零件(在彼剛離開先前處理時)內殘留應力程度的優點。

此種內應力之降低，對於藉由除去材料而明顯的機械加工後所得的精密零件，是特別有益的。基於此點，再奧氏體化及緩慢冷卻處理相較於粗製品熱成形狀態具有鬆弛至少一些殘留應力的優點。

最後，回火處理可具有再稍微增進彈性限度對於抗張強度的比例的優點。

在一變化型中，回火處理可以用在150℃至250℃之溫度下的鬆弛處理(relaxation treatment)來代替。

此類型之鬆弛處理不會導致可察覺之硬度的變化。另一方面，該處理通常導致明顯的韌性改良，且這對於促進產品之使用及改良零件之使用壽命是有用的。

此類型之處理特別適合於企圖要在下述條件下作用之零件：對於在機械工程中所遇到之因金屬對金屬之摩擦所致之磨損需要高抗性的條件或對於在土木工程、礦山或採石場中所遇到之磨耗所致之磨損需要高抗性的條件。

舉例而言，標示為1及2之鋼的兩澆鑄被進行且與標示為C1及C2之比較用的鋼作比較。

使用具有表4所示組成的鋼，藉熱滾壓製造150mm厚之板且在冷卻後藉加熱至900℃而再奧氏體化，然後空氣冷卻。

測量所得之板的平均Brinell硬度(H)，偏析區之最硬部分及板之最不硬的部分間之硬度差(dH)，及硬度差與平均硬度間的比例(dH/H(%))，也藉由研磨時間(Tf)來評估可機械加工性，且評估鋼之熔接性及經濟價值。

表4中也顯示之結果說明：依本發明之鋼雖然具有可在340HB至405HB間之相對大的硬度，但其硬度變化低於平均硬度之15%；相對地，依先前技術之鋼則超過20%。此外，這些鋼具有令人滿意之可機械加工性，且相較於比較用的鋼更適於熔接，且更經濟。

附圖顯示在550℃下回火之後(曲線1)或在低於500℃下回火之後(曲線2)，對於一基本組成：0.15%矽、3.3%錳、3%鉻、0.25%鉬，及對於在900℃下標準化後已空氣冷卻之塊，所要之碳含量與依本發明之高特性鋼的所要硬度的關係。

Claims (9)

1. 一種高強度鋼塊或鋼板，其化學組成包含按重量計之以下物質：0.03%≦C<0.2% Si≦0.49% 3%<Mn≦4% Ni≦0.9% 1%≦Cr≦5% Mo+W/2≦1% Cu≦0.9% S+Se/2+Te/3<0.020% Al≦0.1%，其餘是鐵及製造所產生之雜質，其特徵在於該鋼塊或鋼板具有大於20mm之厚度，該鋼具有變韌體(bainitic)結構、馬丁體-變韌體(martensito-bainitic)結構或馬丁體(martensitic)結構，且因偏析脈所致之該鋼塊或鋼板之較硬區及較不硬區之間的Brinell硬度差是低於該鋼塊平均Brinell硬度的20%。
2. 如申請專利範圍第1項之高強度鋼塊或鋼板，其中該化學組成中：Cr>2.5%。
3. 如申請專利範圍第1或2項之高強度鋼塊或鋼板，其中：Cr<3.5%。
4. 如申請專利範圍第1項之高強度鋼塊或鋼板，其中：Ni<0.5%。
5. 如申請專利範圍第1項之高強度鋼塊或鋼板，其中：Cu<0.4%。
6. 如申請專利範圍第1項之高強度鋼塊或鋼板，其中：Mo+W/2≦0.3%。
7. 如申請專利範圍第1項之高強度鋼塊或鋼板，其中該化學組成中：2.7%≦Cr≦3% Mo≦0.3%。
8. 一種製造如申請專利範圍第1至7項中任一項之鋼塊或鋼板之方法，其特徵在於在藉鍛造或滾壓以熱塑變形的成形之後，藉空氣冷卻進行淬火。
9. 一種製造如申請專利範圍第1至7項中任一項之鋼塊或鋼板之方法，其特徵在於在藉鍛造或滾壓以熱塑變形的成形之後，進行奧氏體化作用(austenitization)，接著藉空氣冷卻以進行淬火。