TWI756226B - 用於工具架之鋼 - Google Patents

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維多利亞 班瑞斯
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Abstract

本發明係關於一種用於一工具架之鋼。該鋼包含以下主要組分(以wt.%計)：C 0.07-0.13；Si 0.10-0.45；Mn 1.5-3.1；Cr 2.4-3.6；Ni 0.5-2.0；Mo 0.1-0.7；Al 0.001-0.06；S

Description

用於工具架之鋼
本發明係關於一種用於一工具架之鋼。詳言之，本發明係關於一種適合於製造可轉位嵌入切割工具之較大工具架的鋼。
術語工具架意謂有效工具部分以切割操作安裝在上面的主體。典型的切割工具體係碾磨及鑽孔體，其具備高速鋼、燒結碳化物、立方氮化硼(cubic boron nitride；CBN)或陶瓷之有效切割元件。在指定鋼架之領域內，此類切割工具體中之材料通常為鋼。
切割操作以高切割速度發生，此情況暗示切割工具體可能變得非常熱，且因此材料在高溫下具有良好熱硬度及抗軟化性係重要的。為了耐受某些類型之切割工具體(諸如碾磨體)經受的高脈動負荷，材料必須具有良好的機械特性(包括良好的韌性及疲勞強度)。為了改良疲勞強度，通常在切割工具體之表面中引入壓縮應力。因此，材料應具有在高溫下維持該所施加之壓縮應力的良好能力，亦即，良好的抗鬆弛性。切割工具體係經堅固硬化，而施加夾持元件之表面可經感應硬化。因此，將可能藉由感應硬化來硬化材料。某些類型之切割工具體(諸如具有經焊接燒結 碳化物端部之某些鑽孔體)在硬化後包覆有PVD或經受氮化，以增加晶片槽中及鑽孔體上的抗晶片磨損性。因此，材料將可能在無硬度之任何顯著降低的情況下在表面上包覆PVD或經受氮化。
傳統地，類似1.2721、1.2738及SS2541之低合金及中合金工程用鋼已用作用於切割工具體之材料。
亦已知將熱加工工具鋼用作用於切割工具架之材料。WO 97/49838及WO 2009/116933揭示用於切割工具架之熱加工工具鋼的用途。目前，用於切割工具體之兩種流行熱加工工具鋼係由Uddeholms AB提供，且係以商品名UDDEHOLM BURE®及UDDEHOLM BALDER®出售。表1中給出該等鋼之標稱組成(wt.%)。
此等類型之熱加工工具鋼對於作為切割工具架之意欲用途具有非常良好之特性。詳言之，此等鋼具有高熱強度及良好可加工性之組合。
本發明之目標係提供一種具有改良式特性型樣的用於工具架之鋼。
另一目標係提供一種亦在較大尺寸中具有均一特性且經最佳化用於較大工具架的用於工具架之鋼。
對於較大工具架，衝擊韌性、化學及微觀結構同質性以及非金屬夾雜物之低含量為重要參數，且熱強度受到較少關注，此係因為相較於較小工具架，較大工具架具有顯著更低的加工溫度。另外，良好的焊接特性係必要的，使得可在不進行預加熱及後加熱的情況下焊接鋼。
藉由提供具有如申請專利範圍中闡明之組成及微觀結構之鋼來以顯著程度達成前述目標以及額外優點。詳言之，高硬度及均一硬度與高韌性之組合產生具有良好抗阻塞性之鋼且帶來突發故障的最小風險，從而帶來較安全之工具架及經延長之工具壽命。
本發明定義於申請專利範圍中。
本發明之鋼由以下各者組成，以重量%(wt.%)計：C 0.07-0.13；Si 0.10-0.45；Mn 1.5-3.1；Cr 2.4-3.6；Ni 0.5-2.0；Mo 0.1-0.7；Al 0.001-0.06；S
Figure 106118523-A0202-12-0003-7
0.003；視情況N 0.006-0.06；V 0.01-0.2；Co
Figure 106118523-A0202-12-0003-8
8； W
Figure 106118523-A0202-12-0004-9
1；Nb
Figure 106118523-A0202-12-0004-10
0.05；Ti
Figure 106118523-A0202-12-0004-11
0.05；Zr
Figure 106118523-A0202-12-0004-12
0.05；Ta
Figure 106118523-A0202-12-0004-13
0.05；B
Figure 106118523-A0202-12-0004-14
0.01；Ca
Figure 106118523-A0202-12-0004-15
0.01；Mg
Figure 106118523-A0202-12-0004-16
0.01；REM
Figure 106118523-A0202-12-0004-17
0.2；除雜質之外其餘為Fe，且該鋼具有一貝氏體微觀結構，該貝氏體微觀結構包含至多20體積%之殘留沃斯田鐵及至多20體積%之麻田散鐵。
該鋼可滿足以下要求：C 0.08-0.12；Si 0.10-0.4；Mn 2.0-2.9；Cr 2.4-3.6；Ni 0.7-1.2；Mo 0.15-0.55；Al 0.001-0.035；視情況N 0.006-0.03；V 0.01-0.08； Cu
Figure 106118523-A0202-12-0005-18
1；Co
Figure 106118523-A0202-12-0005-19
1；W
Figure 106118523-A0202-12-0005-22
0.1；Nb
Figure 106118523-A0202-12-0005-23
0.03；Ti
Figure 106118523-A0202-12-0005-24
0.03；Zr
Figure 106118523-A0202-12-0005-25
0.03；Ta
Figure 106118523-A0202-12-0005-26
0.03；B
Figure 106118523-A0202-12-0005-27
0.001；Ca
Figure 106118523-A0202-12-0005-28
0.001；Mg
Figure 106118523-A0202-12-0005-29
0.01；REM
Figure 106118523-A0202-12-0005-30
0.1；H
Figure 106118523-A0202-12-0005-31
0.0005；及2vol.%至20vol.%之殘留沃斯田鐵。
該鋼亦可滿足以下要求中之至少一者：C 0.08-0.11；Si 0.15-0.35；Mn 2.2-2.8；Cr 2.5-3.5；Ni 0.85-1.15；Mo 0.20-0.45；視情況N 0.01-0.03； V 0.01-0.06；Co
Figure 106118523-A0202-12-0006-32
0.3；Nb
Figure 106118523-A0202-12-0006-33
0.01；Ti
Figure 106118523-A0202-12-0006-34
0.01；Zr
Figure 106118523-A0202-12-0006-35
0.01；Ta
Figure 106118523-A0202-12-0006-36
0.01；REM
Figure 106118523-A0202-12-0006-37
0.05；H
Figure 106118523-A0202-12-0006-38
0.0003；及5vol.%至10vol.%之殘留沃斯田鐵。
在一特定較佳具體實例中，該鋼包含：C 0.08-0.11；Si 0.1-0.4；Mn 2.2-2.8；Cr 2.5-3.5；Ni 0.7-1.2；Mo 0.15-0.45。
可調整微觀結構，使得殘留沃斯田鐵之量為4體積%至15體積%，及/或麻田散鐵之量為2體積%至16體積%。較佳地，殘留沃斯田鐵之量為4體積%至12體積%，及/或麻田散鐵之量為4體積%至12體積%。更佳地，殘留沃斯田鐵之量為5體積%至9體積%，及/或麻田散鐵之量為5體積%至10體積%。
鋼之硬度可為38HRC至42HRC及/或360HBW10/3000至400 HBW10/3000，且該鋼可具有介於360HBW10/3000至400HBW10/3000之範圍內的一平均硬度，其中該鋼之一厚度為至少100mm，且根據ASTM E10-01在厚度方向上的量測與平均布氏(Brinell)硬度值的最大偏離小於10%，較佳地小於5%，且其中壓痕中心與試樣之邊緣或另一壓痕之邊緣相隔的最小距離將為該壓痕之直徑的至少2.5倍，且最大距離將不超過該壓痕之該直徑的4倍。
根據ASTM E45-97，方法A，在微礦渣方面，該鋼可具有滿足以下最大要求之一清潔度：
以下簡要解釋單獨元素之重要性及其與彼此的相互作用以及對所主張合金之化學成分之限制。貫穿描述按重量%(wt.%)計給出鋼之化學組成的所有百分比。硬相之量係以體積%(vol.%)給出。個別元素之上限及下限可在申請專利範圍內所闡明之限制內自由組合。
碳(0.07%至0.13%)
碳對於改良鋼之強度及硬度為有效的。然而，若含量過高，則鋼可難以在自熱加工冷卻之後經加工，且修復焊接變得較困難。C應以0.07%之最小含量存在，較佳為至少0.08%、0.9%或0.10%。碳之上限為0.13%，且可將上限設定為0.12%、0.11%或0.10%。較佳範圍為0.08%至 0.12%，更佳範圍為0.085%至0.11%。
矽(0.10%至0.45%)
矽用於脫氧。Si以溶解形式存在於鋼中。Si為強肥粒鐵形成物，且增大碳活性，且因此增加形成不合需要的碳化物的風險，其對衝擊強度產生負面影響。矽亦易於發生界面偏析，其可帶來減小的韌性及抗熱疲勞性。因此，Si限於0.45%。上限可為0.40%、0.35%、0.34%、0.33%、0.32%、0.31%、0.30%、0.29%或0.28%。下限可為0.12%、0.14%、0.16%、0.18%或0.20%。較佳範圍為0.15%至0.40%及0.20%至0.35%。
錳(1.5%至3.1%)
錳有助於改良鋼之硬化能力。若含量過低，則硬化能力可過低。在較高硫含量下，錳在鋼中防止熱脆性。因此，錳將以1.5%之最小含量存在，較佳為至少1.6%、1.7%、1.8%、1.8%、1.9%2.0%、2.1%、2.2%、2.3%或2.4%。鋼將含有最大值3.1%，較佳地最大值3.0%、2.9%、2.8%或2.7%。較佳範圍為2.3%至2.7%。
鉻(2.4%至3.6%)
鉻以至少2.4%之含量存在，以便在熱處理期間在較大橫截面上提供良好硬化能力。若鉻含量過高，則此可導致高溫肥粒鐵之形成，其降低熱加工性。下限可為2.5%、2.6%、2.7%、2.8%或2.9%。上限為3.6%，且可為3.5%、3.4%、3.3%、3.2%或3.1%。較佳範圍為2.7%至3.3%。
鎳(0.5%至2.0%)
鎳賦予鋼良好的硬化能力及韌性。鎳亦有益於鋼之可加工性及可拋光性。若鎳含量超過2.0%，則硬化能力可不必要的高。因此，上限 可為1.9%、1.8%、1.7%、1.6%、1.5%、1.4%、1.3%、1.2%或1.1%。下限可為0.6%、0.7%、0.8%或0.9%。較佳範圍為0.85%至1.15%。
鉬(0.1%至0.7%)
已知Mo對於硬化能力具有極其有利作用。鉬對於獲得良好的二次硬化反應必不可少。最小含量為0.1%，且可為0.15%、0.2%、0.25%或0.3%。鉬為強碳化物形成元素且亦為強肥粒鐵形成物。因此，鉬之最大含量為0.7%。較佳地，Mo限於0.65%、0.6%、0.55%、0.50%、0.45%或0.4%。較佳範圍為0.2%至0.3%。
鋁(0.001%至0.06%)
鋁與Si及Mn之組合可用於脫氧。可將下限設定為0.001%、0.003%、0.005%或0.007%以便確保良好脫氧。為了避免諸如AlN之不合需要相的沈澱，上限限於0.06%。上限可為0.05%、0.04%、0.035%、0.03%、0.02%或0.015%。
釩(0.01%至0.2%)
釩在鋼之基質中形成V(N,C)型之均勻分佈初級沈澱碳化物及碳氮化物。此硬相亦可標示為MX，其中M主要為V，但可存在Cr及Mo，且X為C、N及B中之一或多者。因此，釩可視情況存在以增強耐回火性。然而，在高含量下，可加工性及韌性會降低。因此，上限可為0.15%、0.1%、0.08%、0.06%或0.05%。
氮(0.006%至0.06%)
可視情況將氮調整為0.006%至0.06%，以便獲得所要類型及量之硬至相，詳言之，V(C,N)。當氮含量恰當地與釩含量保持平衡時，將形 成富含釩之碳氮化物V(C,N)。此等碳氮化物將在沃斯田鐵化步驟期間部分溶解且接著在回火步驟期間沈澱為奈米大小之粒子。可將釩碳氮化物之熱穩定性視為相較於釩碳化物之熱穩定性更佳，因此可改良鋼工具之耐回火性，且增強在高沃斯田鐵化溫度下之抗晶粒生長。下限可為0.011%、0.012%、0.013%、0.014%、0.015%、0.016%、0.017%、0.018%、0.019%或0.02%。上限可為0.06%、0.05%、0.04%或0.03%。
鈷(
Figure 106118523-A0202-12-0010-39
8%)
Co為視情況選用之元素。Co造成固相線溫度增大，且因此提供升高硬化溫度之機會，硬化溫度可比在無Co的情況下高15℃至30℃。在沃斯田鐵化期間，因此，有可能溶解較大部分之碳化物，且從而增強硬化能力。Co亦增大Ms溫度。然而，大量Co可引起減小的韌性及耐磨性。最大量為8%，且若予以添加，則有效量可為2%至6%，詳言之，4%至5%。然而，出於實際原因(諸如廢料處置)，不故意添加Co。隨後可將最大雜質含量設定為1%、0.5%、0.3%、0.2%或0.1%。
鎢(
Figure 106118523-A0202-12-0010-40
1%)
原則上，因為鉬及鎢之化學相似性，可用兩倍多的鎢替換鉬。然而，鎢較昂貴且其亦使得廢金屬之處置變得複雜。因此，最大量限於1%、0.7%、0.5%、0.3%或0.15%。較佳地，不進行故意添加。
鈮(
Figure 106118523-A0202-12-0010-41
0.05%)
鈮與釩相似，因為其形成M(N,C)型碳氮化物且可原則上用於替換釩之部分，但與釩相比需要雙倍量之鈮。然而，Nb產生M(N,C)之較為角形的形狀。因此，最大量為0.05%、0.03%或0.01%。較佳地，不進行故 意添加。
Ti、Zr及Ta
此等元素為碳化物形成物且可以所主張的範圍存在於合金中用於改變硬相之組成。然而，通常不添加此等元素。
硼(
Figure 106118523-A0202-12-0011-42
0.01%)
可視情況使用B以便進一步增大鋼之硬度。量限於0.01%，較佳地
Figure 106118523-A0202-12-0011-43
0.005%。B之視情況添加的較佳範圍為0.001%至0.004%。
Ca、Mg及REM(稀土金屬)
可以所主張之量將此等元素添加至鋼以用於改質非金屬夾雜物，及/或以便進一步改良可加工性、熱可加工性及/或可焊性。
雜質元素
P、S及O為主要非金屬雜質，其可能對鋼之機械特性造成負面影響。因此，P可限於0.05%、0.04%、0.03%、0.02%或0.01%。S限於0.003，可限於0.0025%、0.0020%、0.0015%、0.0010%、0.0008%或0.0005%。O可限於0.0015%、0.0012%、0.0010%、0.0008%、0.0006%或0.0005%。
不可能自鋼萃取出Cu。此極大地使廢料處置更加困難。出於此原因，不使用銅。Cu之雜質量可限於0.35%、0.30%、0.25%、0.20%、0.15%或0.10%。
氫(
Figure 106118523-A0202-12-0011-44
0.0005%)
已知氫對鋼之特性產生不利影響，且在處理期間造成問題。為了避免與氫相關的問題，熔融鋼經受真空除氣。上限為0.0005%(5ppm)，且可限於4、3、2.5、2、1.5或1ppm。
鋼生產
可藉由習知冶金術生產具有所主張之化學組成的鋼工具，習知冶金術包括：在電弧爐(Electric Arc Furnace；EAF)中熔融；及進一步進行澆桶精煉及真空處理並澆鑄成錠。鋼錠隨後較佳地在保護性氣氛下經受電渣重熔(Electro Slag Remelting；ESR)，以便進一步改良清潔度及微觀結構同質性。
鋼在使用之前經受硬化。可在介於850℃至950℃之範圍內(較佳地為880℃至920℃)的沃斯田鐵化溫度(TA)下執行沃斯田鐵化。典型TA為900℃，其中保持時間為30分鐘，隨後進行緩慢冷卻。冷卻速率係由鋼經受溫度範圍800℃至500℃(t800/500)之時間定義。此時間間隔t800/500中之冷卻時間應通常位於4000s至20000s之時間間隔中，以便得到所要的具有少量殘留沃斯田鐵及麻田散鐵之貝氏體微觀結構。此將通常產生介於38HRC至42HRC之範圍內的硬度及/或360HBW10/3000至400HBW10/3000的布氏硬度。布氏硬度HBW10/3000係用10mm直徑之碳化鎢球及3000kgf(29400N)之負荷來量測。
當鋼之厚度為至少100mm時，根據ASTM E10-01在厚度方向上的量測與平均布氏硬度值的最大偏離小於10%，較佳地小於5%，其中壓痕中心與試樣之邊緣或另一壓痕之邊緣相隔的距離將為壓痕之直徑的至少2.5倍，且最大值將不超過壓痕之直徑的4倍。
本發明之鋼具有均一硬度，此係因為已最佳化組成以便減少內消旋偏析(meso-segregation)，內消旋偏析可在所有類型之厚度為至少100mm的錠中形成。內消旋偏析常被稱作A型偏析，V型偏析及通道型偏析， 且可形成於厚度為至少100mm之所有錠中。偏析區域具有細長形狀及約為10mm之非恆定厚度。內消旋偏析之量隨著錠之大小增大且隨著類似Mo(10.2g/cm3)及W(19.3g/cm3)之重合金元素的量增大而增大。此等偏析之大小使得均質化變得困難，且在鍛造及/或熱輥壓產品中產生帶狀結構。微觀結構中之帶狀物的大小取決於還原程度。較高還原度帶來較小寬度之帶狀物。
實例
在此實例中，藉由EAF熔融、澆桶精煉及真空除氣(vacuum degassing；VD)，隨後在保護性氣氛下進行ESR重熔來生產具有以下組成之鋼(以wt.%計)：C 0.10；Si 0.27；Mn 2.42；Cr 3.00；Ni 0.99；Mo 0.29；V 0.03；Al 0.017；P 0.014；S 0.001；其餘為鐵及雜質。
將鋼澆鑄成錠，且鋼經受熱加工以便生產橫截面大小為 1013x346mm之區塊。
在900℃下沃斯田鐵化鋼達30分鐘，且藉由緩慢冷卻對其進行硬化。冷卻時間(t800/500)為約8360秒。此產生365HBW10/3000之平均硬度。在根據ASTM E10-01進行量測時，發現在厚度方向上的量測與平均布氏硬度值之最大偏離小於4%，其中壓痕之中心與試樣之邊緣或另一壓痕之邊緣相隔的最小距離為壓痕之直徑的3倍。根據SS-EN ISO148-1/ASTM E23，使用標準夏比-V(Charpy-V)測試來量測LT方向上之平均衝擊能。6個樣本之平均值為32J。估計殘留沃斯田鐵之量為約7vol.%。
根據ASTM E45-97，方法A，在微礦渣方面，檢查鋼之清潔度。結果展示於表1中。
此實例證明可在保護性氣氛下藉由在ESR單元中進行重熔而生產具有高且均一硬度、高韌性及高純度之較大鋼塊。
工業適用性
本發明之鋼尤其適用於要求高韌性及均一硬度之較大工具架。

Claims (10)

  1. 一種用於工具架之鋼，其由以下各者組成，以重量%(wt.%)計：C 0.07-0.13；Si 0.10-0.45；Mn 2.1-2.8；Cr 2.6-3.6；Ni 0.7-2.0；Mo 0.1-0.7；Al 0.001-0.06；S
    Figure 106118523-A0305-02-0018-2
    0.003；視情況N 0.006-0.06；V 0.01-0.2；Co
    Figure 106118523-A0305-02-0018-3
    8；W
    Figure 106118523-A0305-02-0018-4
    1；Nb
    Figure 106118523-A0305-02-0018-5
    0.05；Ti
    Figure 106118523-A0305-02-0018-6
    0.05；Zr
    Figure 106118523-A0305-02-0018-7
    0.05；Ta
    Figure 106118523-A0305-02-0018-8
    0.05；B
    Figure 106118523-A0305-02-0018-9
    0.01；Ca
    Figure 106118523-A0305-02-0018-10
    0.01；Mg
    Figure 106118523-A0305-02-0018-11
    0.01； 稀土金屬
    Figure 106118523-A0305-02-0019-12
    0.2；除雜質之外其餘為Fe，其中該鋼具有一貝氏體微觀結構，該貝氏體微觀結構包含至多20體積%之殘留沃斯田鐵及至多20體積%之麻田散鐵。
  2. 如申請專利範圍第1項之鋼，其滿足以下要求：C 0.08-0.12；Si 0.10-0.4；Cr 2.6-3.6；Ni 0.7-1.2；Mo 0.15-0.55；Al 0.001-0.035；視情況N 0.006-0.03；V 0.01-0.08；Cu
    Figure 106118523-A0305-02-0019-14
    1；Co
    Figure 106118523-A0305-02-0019-15
    1；W
    Figure 106118523-A0305-02-0019-16
    0.1；Nb
    Figure 106118523-A0305-02-0019-17
    0.03；Ti
    Figure 106118523-A0305-02-0019-18
    0.03；Zr
    Figure 106118523-A0305-02-0019-19
    0.03；Ta
    Figure 106118523-A0305-02-0019-20
    0.03；B
    Figure 106118523-A0305-02-0019-21
    0.001； Ca
    Figure 106118523-A0305-02-0020-22
    0.001；Mg
    Figure 106118523-A0305-02-0020-23
    0.01；稀土金屬
    Figure 106118523-A0305-02-0020-24
    0.1；H
    Figure 106118523-A0305-02-0020-25
    0.0005；及2vol.%至20vol.%之殘留沃斯田鐵。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其滿足以下要求中之至少一者：C 0.08-0.11；Si 0.15-0.35；Mn 2.2-2.8；Cr 2.6-3.5；Ni 0.85-1.15；Mo 0.20-0.45；視情況N 0.01-0.03；V 0.01-0.06；Co
    Figure 106118523-A0305-02-0020-26
    0.3；Nb
    Figure 106118523-A0305-02-0020-27
    0.01；Ti
    Figure 106118523-A0305-02-0020-28
    0.01；Zr
    Figure 106118523-A0305-02-0020-29
    0.01；Ta
    Figure 106118523-A0305-02-0020-30
    0.01；稀土金屬
    Figure 106118523-A0305-02-0020-31
    0.05； H
    Figure 106118523-A0305-02-0021-32
    0.0003；及5vol.%至10vol.%之殘留沃斯田鐵。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其包含：C 0.08-0.11；Si 0.1-0.4；Mn 2.2-2.8；Cr 2.6-3.5；Ni 0.7-1.2；Mo 0.15-0.45。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其中殘留沃斯田鐵之量為4體積%至15體積%，及/或麻田散鐵之量為2體積%至16體積%。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其中殘留沃斯田鐵之量為4體積%至12體積%，及/或麻田散鐵之量為4體積%至12體積%。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其中殘留沃斯田鐵之量為5體積%至9體積%，及/或麻田散鐵之量為5體積%至10體積%。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其具有38 HRC至42 HRC及/或一360 HBW10/3000至400 HBW10/3000之一硬度。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其具有介於360 HBW10/3000至400 HBW10/3000之範圍內的一平均硬度，其中該鋼之一厚度為至少100mm，且根據ASTM E10-01在厚度方向上的量測與平均布氏硬度值的最大偏離小於10%，且其中壓痕中心與試樣之邊緣或另一壓痕之邊緣相隔的 最小距離將為該壓痕之直徑的至少2.5倍，且最大距離將不超過該壓痕之該直徑的4倍。
  10. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋼，根據ASTM E45-97，方法A，在微礦渣方面，該鋼具有滿足以下最大要求之一清潔度：
    Figure 106118523-A0305-02-0022-1
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