TWI565543B - 具高耐磨損抵抗性的材料及其製造方法 - Google Patents

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Description

具高耐磨損抵抗性的材料及其製造方法
本發明關於一種製造具有高耐磨損抵抗性的材料的方法，該材料具各向同性、機械性質及改善之耐磨損抵抗性及高硬度潛力
高合金工具鋼〔它們由於其組成呈葉德布爾體(葉氏體)(Ledeburit)方式凝固〕在鑄造狀態往往局部在組織中有碳化物及碳化物的堆積(Anhäufung，英：accumulation)，其在鑄塊熱變形時對準成列形，最後形成與變形方向有關的碳化物列或一變形構造。此組織構造在部件受應力方向方面決定材料的各向異性(anisotrop)的性質特徵。
為了達成高合金的工具鋼的各向同性之較佳的材料性質，習知技術使用粉末冶金製造程序，它確保小的碳化物均分佈在母質(Matrix)中，在粉末冶金程序中，利用高速氣體流將液態鋼分散成小液滴，它們以高速凝固且在小液滴中形成細碳化物相，隨後藉著在一封囊(Kapsel)中將粉末作等靜壓(Isostatisch)的加壓(HIP)的熱，藉燒結製造一HIP塊，它可受熱變形，且在所有情形，小的碳化物相很有利地均勻分在材料中。
如此製造的材料，其機械性質係更各向同性，且可加工性良好，但由於母質構造，其硬度潛力(Härtepotential)有限。「硬度潛力」一詞，對行家而言，係有關於由沃斯田組織範圍變成麻田散鐵的材料(具有剩餘沃斯田鐵)回火(Anlasstn)時的硬度上升的量。
此外，如人們發現在合金(PM材料)相同化學組成的場合，耐磨損性較小一點點，雖然在傳統製造中，在母質中有一樣多的碳化物相的量。
本發明的目的在提供一種上述種類的方法，藉可使PM材料得到機械性質之各向同性，且耐磨損性較佳，且有較高的硬度潛力。
此外本發明另一目的在提供一種由一種萊氏體(Ledeburit)工具鋼構成，它具高硬度潛力及對刮傷磨損有高強度。
此目的係利用本發明的方法達成一種製造具有高耐磨損抵抗性的材料的方法，該材料具各向同性、機械性質及改善之耐磨損抵抗性及高硬度潛力，其中由一種萊德布爾體材料合金用粉末冶金程序藉著將液體金屬用氮氣噴霧成一合金粉末。並利用一種等靜壓壓機將該合金粉末製成一HIP坯件或HIP金屬塊，該HIP坯件或金屬塊或由此製的半成品在1100℃以上的溫度作高退火，但此溫度低於在其最低熔點之組織相的熔解溫度至少10℃，其處理時間超過12小時，使該材料的平均碳化物相粒子尺寸提高至少65%，且其表面形狀被修成圓滑，且其母質質化，然後將該材料進一步加工成為熱改質的工具，其具有高度耐磨損抵抗性；或進一步加工成耐刮損的部件。
本發明的方法的優點為：在超過1100℃的擴散狀況下，在1100℃的溫度，一方面碳化物相加大，另方面，母質均化，其中在材料未硬化的狀態，強度性質大約保持相等，破壞拉伸，特別是破壞橫斷面收縮(Brucheinschnürung，英：break necking)提高，如此造成加工及性質上的優點。
如果將部件用本發明的時段作高退火(Hochglühung)加工，則使在材料受高負荷時(特別是拉力)，裂痕形成的機率也大大減少。
藉著將本發明所製之高合金材料硬化及回火作熱調質(淬回火)(Vergüten，英：quench-and-temper)時，在較低硬化溫度時已達到高回火硬化值。
出乎意外地，高退火及調質的PM材料當碳化物相的量一樣，而碳化物相的尺寸大得多(例如提高84%)在依標準計算的刮損試驗中，其耐磨損抵抗力比起標準檢體(用相同方式產生但不作高退火)來多了30%。
如果依以下條件，則本發明的優點特別明顯：所用之工具鋼合金係一種高速鋼，其化學組成(重量%)如下： 以及Si、Mn、S、N或者Ni、Al、Nb、Ti以及雜質，剩餘部分為鐵；其中該改質的母質的碳含量調整到0.45~0.75，且在該母質中該平均碳化物相粒徑調整到大於2.8微米，且宜調整到大於3.2微米。
在上述工具鋼合金中，顯示碳、重要之碳化物形成元素，以及特別促進母質韌性及熱硬度的元素鈷的含量，以及母質的碳濃度的上下限，如材料試驗所示，它們對此方法很重要，如此調整依本發明之有利的碳化物相顆粒直徑。
這種較粗的碳化物相即使在組織結合(Gefügeverband，英：texture bond)受粗的刮損性硬力也保持不變且不會跑出或溶出，因為含此硬相的母質係利用高退火得到有利的性質特徵。
本發明的方法也可用有利的方式應用，其中所使用之工具鋼為一種冷加工鋼材料，其化學組成(重量%)如下： 以及Si、Mn、S、N或者Ni、Al、Nb、Ti以及雜質，剩餘部分為鐵。
本發明的另一標的為提供一種材料，該材料具有各向同性、機械性質，且在熱改質的狀態碳化物相M6C及MC的成分至少7.0體積%，在母質中平均碳化物相粒子尺寸超過2.8微米，該母質的碳濃度為0.45~0.75重量%。
如所發現者，同樣大的碳化物相比例，如果在一均質母質中平均碳化物相尺寸提高，則可減少磨損。
對應於先前技術，迄今都設法將材料的碳化物相調整成儘量小的尺寸，俾將其性質特徵改善或最佳化。
但出乎意料地，茲發現在此利用高回火均化的母質中，平碳化物相尺寸較大，使材料的耐磨損強度大大改善。
在科學上，這種改善還不能完全解釋，但本申請人認為，可能上在受磨損應力時，較粗的碳化物可使在均質的母質中，結合面積或附著面積嚴重變小的情事延遲，且該均化的母質有較大的結合潛力結合到形成之較粗的碳化物。
特別有利的方式係在一種材料中耐磨損抵抗性改善，該材料其化學組成(重量%)如下： 以及Si、Mn、S、N或者Ni、Al、Nb、Ti以及雜質，剩餘部分為鐵；在母質中的碳化物相為5.5~8.5體積%之M6C和1.5~3.9體積%的MC碳化物，其具有修成圓滑的表面形狀。
在此，如果該材料含有以下含量(重量%)的元素 Si=0.1~0.5，且宜0.15~0.3
P=最大0.03，且宜最大0.02
S=最大0.3，且宜最大0.03
N=最大0.1，且宜最大0.08 則特別有利且機械性質可有利提高。
如果該材料，其含有至少一種以下濃度(重量%)的元素： C=0.9~1.4 且宜1.0~1.3
Mn=0.15~0.5 且宜0.2~0.35
Cr=3.0~5.0 且宜3.5~4.5
Mo=3.0~10.0
W=1.0~10.0
Mo+W/2=6.5-12.0 且宜7.0~11.0
V=0.9-6.0 且宜1.0~4.5
Co=7.0~11.0且宜8.0~11.0，則其性質參數就所需之比應力方面可最佳化。
當冷加工鋼(它們在打擊式操作時具有上述優點)該材料的化學組成(重量%)如下： 以及Si、Mn、S、N或者Ni、Al、Nb、Ti以及雜質，剩餘部分為鐵。在以下利用實驗結果的例子及圖式詳細說明本發明。
表1係試驗材的化學組成。
表2係對照組合金和本發明材料(S599PM-H)的母質的化學組成。
圖1係該材料的機械性質；圖2係PM材料(S599PM)中的碳化物相，它係依先前技術製造者(REM分析)；圖3係本發明所製之PM材料(S599PM-H)中的碳化物相(REM分析)；圖4係本發明材料(S599PM-H)中的碳化物相(REM分析)；圖5係圖4的M6C相；圖6係圖4的MC相；圖7係一PM材料(S599PM)的相照片，它係依先前技術製，且調質過者；圖8係一依本發明製的PM材料(S599PM-H)，它係調質過者；圖9係一鑄造成形的材料(S500)；圖10係測試此磨損心例的裝置(示意圖)。
REM分析(圖3~4)利用一屏幕電子顯微鏡達成。
REM模型：JEOL JSM 6490 HV
EDX模型：牛津儀器Sincn-PentaFet ×3 Si(Li)30mm2(圖3~6)
碳化物相M6C及MC利用碳化物相選擇藉著影像處理軟體Image J製造。
由表1可看出一標準合金(AISI-Type M42)的化學組成(名稱S500)及一個粉末冶金製造的材料S599PM的化學組成及一本發明材料S599PM-H的化學組成。
名稱S500的材料當作一般製造的對照材料，因為它對應於先前技術有良好的耐磨損性質。
將S599的組成的合金熔化並用PM方法將熔融物用氮氣噴霧成粉末，用它充填一封囊，並將之作加熱等靜壓方式加壓，製造一HIP塊件。
將此HIP塊件一部分用習知方式加工成檢體和工具(稱S599-PM)。
在塊件材料的第二部分，由相同之熔融物在上成品上(100mm2橫截面)在1180℃作本發明的熱退火，時間24小時，隨後將此材料S599PM-H進一步加工。
表2顯示母質的化學組成及對比材料S500和本發明所製材料S599PM-H中的碳化物相成分。
圖1中的條柱圖顯示材料S500、S599PM及S599PM-H的機械性質，及拉伸界限Rpp.2、拉力強度Rm、破壞拉伸A、及破壞橫斷面縮小Z。
圖中可看出，利用本發明的高退火，材料S599PM-H的破壞拉伸A和破壞橫斷面縮小Z都提高，這點係由於母質均化而造成。
圖2的照片顯示材料S599PM在軟退火狀態的照片，有M6C 及MC類型的碳化物相在母質中，碳化物相的平均尺寸約2.0μm。
細M23C6碳化物並不包含在硬度約258HB的材料分析中。
圖3顯示材料S599PM-H的照片，它係依本發明製造者，在相同的碳化物相的場合，碳化物大大變粗，平均直徑約4.0μm。
在硬度約254HB的母質中再有細M23C6碳化物進入，因為該材料係在軟退火狀態。
圖4顯示本發明所製之材料S599PM-H的REM分析(網格電子顯微鏡，該材料調質成一硬度68.7HRC。
圖4及圖5可看到係在調質後照片中不再出現M23C6碳化物。
圖5中係M6C類型的碳化物相，它係由分析之上述圖選出。
M6C碳化物成分約7.4體積%，其中此值係由大於6次的測量的平均質。
圖6中，顯示MC型的碳化物相，它係由調質材料試驗得到，其成分約1-8體%，其中平均值也由多於6次之測量得到。
圖7係一磨片的像片圖(拋光，用3%HNO3作溶解蝕刻)此粉末冶金製的材料S599PM在熱調質狀態，細碳化物均勻分佈，平均碳化物相粒子尺寸為1.6μm，材料硬度約68.2HRC。
圖8顯示相同材料，它用相同參數作熱調質，但作本發明的高退火，其中平均硬化物相尺寸值為3.6μm。
圖9的磨片圖顯示使用一鑄塊製造的材料S500在退火狀態的組織，其硬度239HB，該材料具有稜邊式略設成列狀的較粗碳化相。
材料的耐磨損性質係利用圖10所示之裝置作試驗。
在刮傷磨損測中，檢體放在一盤上(直徑300mm)，該盤設以SiC研磨紙P(120)，每個檢體壓迫力量13.33N，它相當於單位面積壓力0.265N/平方毫米，盤約轉速為150及300/分。
由各12個試驗之調質檢體的刮傷磨損試驗的結果，對照組材料S500當作100%作分析。
粉末冶金製之具細碳化物相同樣調質的材料S599PM比起來磨損率的98%。
利用高退火製造之本發明的材料(用相同之調節參數製造)的試驗選示耐磨損強度增加33%，到達S500及S599PM的值的約130%。

Claims (8)

  1. 一種製造具有高耐磨損抵抗性的材的方法，該材料具各向同性、機械性質及改善之耐磨損抵抗性及高硬度潛力，其中由一種萊德布爾體(Ledeburit)材料合金用粉末冶金程序藉著將液體金屬用氮氣噴霧成一合金粉末。並利用一種等靜壓壓機將該合金粉末製成一HIP坯件或HIP金屬塊，該HIP坯件或金屬塊或由此製的半成品在1100℃以上的溫度作高退火，但此溫度低於在其最低熔點之組織相的熔解溫度至少10℃，其處理時間超過12小時，使該材料的平均碳化物相粒子尺寸提高至少65%，且其表面形狀被修成圓滑，且其母質質化，然後將該材料進一步加工成為熱改質的工具，其具有高度耐磨損抵抗性；或進一步加工成耐刮損的部件。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：所用之工具鋼合金係一種高速鋼，其化學組成(重量%)如下： 以及Si、Mn、S、N或者Ni、Al、Nb、Ti以及雜質，剩餘部分為鐵，其中該改質的母質的碳含量調整到0.45~0.75，且在該母質中該平均碳化物相粒徑調整到大於2.8微米，且宜調整到大於3.2微米。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中： 所使用之工具鋼為一種冷加工鋼材料，其化學組成(重量%)如下： 以及Si、Mn、S、N或者Ni、Al、Nb、Ti以及雜質，剩餘部分為鐵。
  4. 一種具高耐磨損抵抗性的材料，由一種萊德布爾體材料合金構成，其係用申請專利範圍第1項的方法製造，該材料具有各向同性、機械性質，且在熱改質的狀態碳化物相M6C及MC的成分至少7.0體積%，在母質中平均碳化物相粒子尺寸超過2.8微米，該母質的碳濃度為0.45~0.75重量%。 Cmatrix=(0.45~0.75)C(重量%)
  5. 如申請專利範圍第4項之材料，其中：其化學組成(重量%)如下： 以及Si、Mn、S、N或者Ni、Al、Nb、Ti以及雜質，剩餘部分為鐵；在母質中的碳化物相為5.5~8.5體積%之M6C和1.5~3.9體積%的MC碳化物， 其具有修成圓滑的表面形狀。
  6. 如申請專利範圍第4或第5項之材料，其中：含有以下含量(重量%)的元素Si=0.1~0.5，且宜0.15~0.3 P=最大0.03，且宜最大0.02 S=最大0.3，且宜最大0.03 N=最大0.1，且宜最大0.08。
  7. 如申請專利範圍第4或第5項之材料，其中：其含有至少一種以下濃度(重量%)的元素：C=0.9~1.4 且宜1.0~1.3 Mn=0.15~0.5 且宜0.2~0.35 Cr=3.0~5.0 且宜3.5~4.5 Mo=3.0~10.0 W=1.0~10.0 Mo+W/2=6.5-12.0 且宜7.0~11.0 V=0.9-6.0 且宜1.0~4.5 Co=7.0~11.0 且宜8.0~11.0。
  8. 如申請專利範圍第4之材料，其中：該材料的化學組成(重量%)如下： 以及Si、Mn、S、N或Ni、Al、Nb、Ti及雜質，其餘為鐵。
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