專利名稱：用于熱加工工具的鋼質(zhì)材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于熱加工工具的鋼質(zhì)材料。該工具比如是，在相當(dāng)高的溫度下使金屬成形或?qū)ζ浼庸さ墓ぞ摺?br> 表1．已知的熱加工用鋼的標(biāo)稱化學(xué)成份(％重量)
*以商標(biāo)Uddeholm Tooling AB注冊的市售的，非標(biāo)準(zhǔn)的鋼，QRD_90及CALMAX_對發(fā)明的陳述本發(fā)明首先研究表1中的鋼1-15。此研究表明被研究的鋼沒有一種能滿足上述不同應(yīng)用領(lǐng)域提出的全部要求。因此，后來的工作致力于開發(fā)新的合金，它們主要用于輕金屬模鑄，用于對具有優(yōu)于現(xiàn)有的已知鋼的綜合性能的新鋼種有特別需求的應(yīng)用領(lǐng)域。按照本發(fā)明，這種鋼質(zhì)材料的目的在于提供最優(yōu)的淬透性和顯微組織，以便在大的尺寸提供高水平的韌性和延展性。同時(shí)，不得有損于回火穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度。
本發(fā)明的目的尤其在于提供熱加工用鋼，它具有的化學(xué)成份使之能滿足以下的要求-為得到高的生產(chǎn)率，它必須具有良好的加工性，-它能按很大的規(guī)格制成，這指的是厚于，如760×410mm或大于φ550mm，-其雜質(zhì)含量應(yīng)很低，-它不應(yīng)含任何初次碳化物，-它應(yīng)有良好的熱處理特性，這尤其是指它應(yīng)能夠以中等高度的奧氏體化溫度進(jìn)行回火，-它應(yīng)有良好的淬透性，即，即使是按上述的很大的規(guī)格淬火，也能被淬透，-它在熱處理時(shí)是形狀穩(wěn)定的，-它應(yīng)有良好的回火穩(wěn)定性，-在上述的尺寸范圍內(nèi)它應(yīng)有良好的韌性和延展性，-它應(yīng)有良好的高溫強(qiáng)度，-它應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性，-它沒有過大的熱膨脹系數(shù)，-它有良好的涂覆PVD/CVD/滲氮的性能，-它應(yīng)有良好的電火花腐蝕性能、良好的切削和焊接性能，-它應(yīng)有有利的造價(jià)。
本發(fā)明的鋼質(zhì)材料滿足以上的條件，原因是首先，該鋼合金所具有的基本成份使之能經(jīng)受處理，從而產(chǎn)生的顯微組織具有均勻地分布于基體內(nèi)的碳化物，該組織使成品工具適于經(jīng)受進(jìn)一步的熱處理；其次，具有此基本成份的該鋼質(zhì)材料還具有規(guī)定的低含量的Si(Si在本發(fā)明的鋼中被視為雜質(zhì))，和含量很低的非金屬雜質(zhì)N，O，P和S。非金屬雜質(zhì)，如S，P，O和N對很多鋼，有負(fù)面影響，尤其是對鋼的韌性有負(fù)面影響已久為人知。這還用到了某些相關(guān)的知識某些痕量元素水平的金屬對很多鋼也有負(fù)面影響，如降低其韌性。比如，這包括含量很少的Ti、Zr和Nb。但在大多數(shù)鋼，包括熱加工用鋼的情況下，僅降低鋼中的這種天然雜質(zhì)的含量不可能明顯提高其韌性。對現(xiàn)有鋼的研究還證明僅通過優(yōu)化鋼合金的基本成份得不到良好的韌性。只有通過最佳的基本成份與低的，或很低的所述非金屬雜質(zhì)，最好還有非常低的Ti、Zr和Nb的含量的組合才能滿足所述條件。
為滿足上述條件，本發(fā)明的鋼質(zhì)材料的含金成份如下(％重量)，其基本組成為0.3-0.4C，更好是0.33-0.37C，典型地是0.35C，0.2-0.8Mn，更好是0.40-0.60Mn，典型地是0.50Mn，4-6Cr，更好是4.5-5.5Cr，適宜地是4.85-5.15Cr，典型地是5.0Cr，1.8-3Mo，更好是最多2.5Mo，適宜地是2.2-2.4Mo，典型地是2.3Mo，0.4-0.6V，更好是0.5-0.6V，適宜地是0.55V，余量的Fe及不可避免的金屬的及非金屬的雜質(zhì)，所述的非金屬雜質(zhì)包括Si、N、O、P、S，它們的最高含量如下Si最多0.25，更好是最多0.20、適宜地是最多0.15，N最多0.010，更好是最多0.008，O最多10ppm，更好是最多8ppm，P最多0.010，更好是最多0.008，S最多0.010，更好是最多0.0010，適宜地是最多0.0005STi，Zr和Nb的最大含量如下是可取的(％重量)Ti最多0.05，更好是最多0.01，適宜地是最多0.008，而最好是最多0.005，Zr最好0.1，更好是最多0.02，適宜地是最多0.010，而最好是最多0.005，Nb最多0.1，更好是最多0.02，適宜地是最多0.010，而最好是最多0.005。
至于對各種所需合金元素的選擇，可以這樣簡短地?cái)⑹鲞x擇C、Cr、Mo，和V的含量，要使得在該材料交貨條件下，此鋼有鐵素體基體，在淬火和回火之后此鋼有具有適宜硬度的馬氏體基體，該鋼沒有初次碳化物，但在該經(jīng)淬火和回火的材料中存在亞顯微尺寸的MC和M23C6型的2次析出的碳化物，同時(shí)為得到所需的韌性，該鋼的基本成份還具有潛力。
為使此鋼具有合適的淬透性，Cr的最小含量是4.0％，優(yōu)選4.5％，適宜地至少4.85％，但為在回火后使此鋼中M23C6和M7C3型碳化物的含量不會(huì)達(dá)到不希望的程度，Cr的含量不超過6％，更好是最多5.5％而適宜地是最多5.15％。鉻的標(biāo)稱含量為5.0％。
與Mo相比，W對導(dǎo)熱性和淬透性有不利影響，因而不是鋼中需要的元素，但其含量最多0.5％，更好是最多0.2％則是允許的。但，此鋼最好不含有意加入的W，即希望該鋼只含雜質(zhì)水平的W。
為同時(shí)提供適宜的淬透性，回火穩(wěn)定性和合乎要求的高溫強(qiáng)度，Mo的最小含量為1.8％，更好是至少2.2％。3％以上的Mo將有產(chǎn)生晶界碳化物和初次碳化物的風(fēng)險(xiǎn)，這將降低韌性和延展性。因此Mo的含量不應(yīng)大于3.0％，更好是最多2.5％，適宜地是最多2.4％。如上所述，若該鋼含一定含量的W，則根據(jù)“2份W相當(dāng)于1份Mo”的規(guī)律，W將部分地替代Mo。
為提供適宜的回火穩(wěn)定性和合乎要求的高溫強(qiáng)度，該鋼含至少0.4％的V。此外為防止此鋼在熱處理時(shí)晶粒變粗，V含量應(yīng)至少是此所述水平。為減小形成初次的和晶界碳化物和/或碳氮化物的風(fēng)險(xiǎn)，V的上限被定為0.6％，但這將降低延展性和韌性。最好該鋼含0.5-0.6V，適宜地含0.55V。
該鋼應(yīng)含上述水平的Mn，這主要是將淬透性提高到一定程度。
為利用含有所述C、Mn、Cr、Mo和V含量的鋼所能提供的潛在的優(yōu)良韌性，應(yīng)同時(shí)將所述非金屬夾雜物的含量保持在所述低的，或非常低的程度上。下面陳述這些雜質(zhì)元素的作用。
Si是來自鋼脫氧的殘留產(chǎn)物，為使C活度保持得很低，因而將可在凝固過程及在后期中析出的初次碳化物含量保持很低，以及還將晶界碳化物保持得很低，Si含量可最高為0.25％，更好是最多0.2％，而適宜地是0.15％，這樣將提高韌性。
N是趨于使初次碳化物穩(wěn)定形成的元素。初次碳氮化物，尤其是除V之外還含Ti、Zr和Nb的碳氮化物比純的碳化物更難熔解。如果在成品工具中存有這些碳化物，它們會(huì)對材料的沖擊韌性產(chǎn)生負(fù)面影響。由于N含量低，這些碳化物在與鋼的熱處理相關(guān)的奧氏體化時(shí)較易溶解，此后，析出小的二次碳化物和初級MC和M23C6，主要是亞顯微尺寸的，即小于100nm，通常為2-100nm的碳化物，這是有益的。因此，本發(fā)明的鋼質(zhì)材料應(yīng)含最多0.010％N，更好是最多0.008％N。
鋼中的氧形成氧化物，它可因熱疲勞而引發(fā)斷裂。最多10ppm，更好是最多8ppm的很低的氧含量可以消除這種對延展性的負(fù)面影響。
P在所有種類的相界面和晶界中偏析，因而降低了結(jié)合強(qiáng)度，從而還降低了韌性。因此P含量不應(yīng)超過0.010％，更好是最多0.008％。
與Mn結(jié)合而形成MnS的S對延展性有負(fù)面影響，而且因S負(fù)面地影響橫向性能，所以對韌性也有不利影響。因此最大S含量為0.010％，更好是最大0.0010％，適宜地是最大0.0008％。
Ti、Zr和Nb在此鋼中的含量不應(yīng)超過上述的最大含量，即最多0.05％，更好是最多0.01％，適宜地是最多0.008％，最好是最多0.005％的Ti；最多0.1，更好是最多0.02，適宜地是最多0.010，最好是最多0.005的Zr；及最多0.1，更好是最多0.02，適宜地是最多0.010，而最好是最多0.005的Nb，以避免形成初次氮化物和碳氮化物。
在交付狀態(tài)下，本發(fā)明的該鋼質(zhì)材料的基體是含有均勻分布的碳化物的鐵素體基體，所述碳化物在與淬火相關(guān)的熱處理時(shí)將被溶解。在熱處理時(shí)，該鋼在1000-1080℃，更宜在1020-1030℃的溫度下奧氏體化。此后將此材料冷至室溫，再進(jìn)行一或數(shù)次回火，較好是2×2h，550-650℃，更好是約600℃的回火。
本發(fā)明的其它特征將從下面的對所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的描述及從后附的權(quán)利要求書中得知。
圖5和6分別展示了本發(fā)明鋼的CCT和TTT圖；圖7說明夏比-V形缺口沖擊功與被測鋼的試驗(yàn)溫度間的關(guān)系；圖8和9展示了+20℃的沖擊功與被測鋼板厚度間的關(guān)系，所述沖擊功是V型缺口夏比沖擊試樣和無缺口試樣的沖擊功；

圖10是說明被檢測鋼的熱延展性和熱屈服強(qiáng)度的圖；圖11是說明被測驗(yàn)的鋼的性能的示意圖。
對所進(jìn)行的檢驗(yàn)的描述被檢驗(yàn)鋼的化學(xué)成份列于表2中。
表2被檢驗(yàn)鋼的分析化學(xué)成分(％重量)
在表2中，H11“Premium”和H13“Premium”分別是AISI H13和H11的變型。“Premium”指的是鋼水在熔煉時(shí)已噴過SiCa(這使S降到最低水平)，而且最終產(chǎn)品已經(jīng)受過改進(jìn)的熱加工程序。與同類的標(biāo)準(zhǔn)的鋼相比，這些鋼的特征在于，在所有方向上有較高的韌性，更大地利用較高的硬度(同時(shí)保持較高韌性)的潛在可能性，及較高的抗熱沖擊的能力。
用本發(fā)明的A類鋼生產(chǎn)2爐鋼，再用ESR重熔法生產(chǎn)3個(gè)鋼錠。在表2中A類鋼被稱為A1、A2……A6。所述的檢驗(yàn)主要集中于鋼A2。在參照鋼A的情況下，列出的是鋼A1-A6的檢驗(yàn)結(jié)果的平均值。鋼水的冶金處理基本上與用于H11“Premium”和H13“Premium”的處理方法相同。ESR錠的重量為480-6630kg。通過鍛造和軋制將這些錠制成棒。
表2中，后6種鋼4X，17X，11X，10X，9X和18X是本發(fā)明人在市場上購得鋼，而且本發(fā)明人已分析過它們的化學(xué)成份。
除QRO_外，所有鋼的Cr含量的數(shù)量級均為5％。其它被檢驗(yàn)的鋼相互間的區(qū)別主要在于Si、Mo和V含量不同。這可見于圖1，它以三維相圖的形式圖示了這些鋼的Si、Mo和V含量。參見涉及該標(biāo)稱成分的表1。
表3展示了軟退火態(tài)的各鋼的尺寸及硬度。
表3軟退火態(tài)時(shí)的硬度
對組織的研究表明除鋼11X和9X含有大量的初次碳化物和初次碳氮化物之外，所有鋼中初次碳化物的含量均為零。在軟退火狀態(tài)下的鋼A2(610×203mm)心部的顯微組織示于圖2中。
1025°/30分的奧氏體化后的回火穩(wěn)定性、1025℃/30分(對于鋼No.16X是1010℃)淬火后于600℃時(shí)保溫時(shí)間的影響及回火至45HRC的影響示于圖3和4中。這些圖表明本發(fā)明的鋼A2和鋼9X有最佳的回火穩(wěn)定性。本發(fā)明的鋼A2受600℃保溫時(shí)間的影響極小，而鋼No.9X則迅速喪失了硬度。這也適用于鋼No.10X。
本發(fā)明鋼A2甚至淬透性也很好，這可由圖5和6中的CCT和TTT圖看出。
按夏比V形缺口沖擊功試驗(yàn)與測試溫度的關(guān)系測量韌性，其結(jié)果列于圖7和8中。
圖9展示了無缺口試樣室溫沖擊韌性與棒尺寸間的關(guān)系。該曲線說明，在被研究的鋼中，本發(fā)明鋼A2具有優(yōu)越的韌性和延展性。應(yīng)特別注意的是，圖9中，鋼No.4X是沿TL1方向測試的，這樣得到值比沿ST2方向取得的試樣的值大10％。
于600℃對已被處理到45HRC的試樣進(jìn)行熱拉伸試驗(yàn)，結(jié)果示于表4和圖10中。即使就這種性能而言，本發(fā)明鋼的高溫強(qiáng)度和延展性的綜合性能明顯優(yōu)于被研究的其它鋼。
表4-600℃試驗(yàn)后的熱拉伸性能
本發(fā)明鋼的某些極限性能在圖11中的極坐標(biāo)圖中進(jìn)行了比較。至于韌性，鋼No.11X和9X含大量的初次碳化物和碳氮化物，這使這2種鋼的韌性明顯下降。鋼No.10和某種程度上，鋼No.18X的韌性與鋼No.1X的韌性相當(dāng)，但本發(fā)明鋼A2具有優(yōu)越的延展性和韌性。后一點(diǎn)已被全范圍壓-鍛試驗(yàn)所證實(shí)。在與鍛造大型卡車輪轂部件相關(guān)的這些實(shí)驗(yàn)時(shí)，H13“Premium”型鋼和鋼A1被用作工具材料。被測的部件號分別編為2452和7721。H13“Premium”工具的疲勞模式包括總的疲勞，而A1鋼的工具僅因模具內(nèi)部直徑變形而不能使用。
因此，本發(fā)明鋼A2有最好的屈服強(qiáng)度，延展性(面縮率)及淬透性(以硬度下降表示)。A2的回火穩(wěn)定性也很好。在被研究的鋼中，A2鋼的性能最好。
不將本發(fā)明限于任何特定的理論，可以假定，這些優(yōu)異的性能可能歸因于以下因素-為后續(xù)的工具淬火提供了優(yōu)越的軟退火態(tài)的初始組織，從而達(dá)到很好的淬透性、回火穩(wěn)定性及高溫強(qiáng)度，使碳化物形成元素，如Cr，Mo和V的化學(xué)成分平衡；-通過在低N含量的同時(shí)，優(yōu)化選擇C和V含量，使MX型初次碳化物和/或碳氮化物不復(fù)存在，MX中的M是V而X是C；-相當(dāng)高的Mo含量、相對低的C含量及非常低的Si含量，這就降低了C活度，從而趨于減少了會(huì)降低韌性的初次碳化物析出和晶界析出物；-形成降低韌性的氧化物、氮化物和硫化物的元素，如O、N、和S的含量低；-引起回火脆性的元素，如P的含量低。
權(quán)利要求
1．用于熱加工工具的鋼質(zhì)材料，其特征為，它具有主要由(％重量)0.3-0.4C0.2-0.8Mn4-6Cr1.8-3 Mo0.4-0.6V余量的Fe及不可避免的金屬和非金屬雜質(zhì)構(gòu)成的合金成份，所述的非金屬雜質(zhì)包括Si、N、O、P和S，它們的最大含量可為最多0.25 Si最多0.010 N最多10ppm O最多0.010 P。
2．權(quán)利要求1的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含最多為0.20的Si。
3．權(quán)利要求1的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含最多為0.010S，而更好是最多0.0010S。
4．權(quán)利要求1的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含0.33-0.37 C0.4-0.6Mn4.5-5.5Cr1.8-2.5Mo。
5．權(quán)利要求4的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含4.85-5.15Cr及2.2-2.4Mo。
6．權(quán)利要求1-5中任何一項(xiàng)的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含最多為0.008N。
7．權(quán)利要求1-6中任何一項(xiàng)的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含最多為8ppmO。
8．權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含最多為0.008P。
9．權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含最多為0.0008S。
10．權(quán)利要求1-9中任何一項(xiàng)的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含0.35C，最多0.15Si，0.5Mn，最多0.008P，最多0.0008S，5Cr，2.3Mo，0.55V，最多0.008N，最多8ppm O。
11．權(quán)利要求1-10中任何一項(xiàng)的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含最多0.05Ti，更好是最多0.01Ti，最多0.1Zr，更好是最多0.02Zr，最多0.1Nb，更好是最多0.02Nb。
12．權(quán)利要求1-11中任何項(xiàng)的鋼質(zhì)材料，其特征為，它含最多0.008，更好是最多0.005Ti、最多0.016，更好是最多0.010Zr、及最多0.010，更好是最多0.005Nb。
13．權(quán)利要求1-12中任何一項(xiàng)的鋼質(zhì)材料作金屬壓-鍛工具及工具部件的用途。
全文摘要
用于熱加工工具的鋼質(zhì)材料的合金成份主要由(%重量):0.3—0.4C,0.2—0.8Mn,4—6Cr,1.8—3Mo,0.4—0.8V,余量的金屬和非金屬雜質(zhì)組成,所述非金屬雜質(zhì)包括Si、N、P、S,它們的含量不超過下列的最大值:最多0.25Si,最多0.010N,最多10ppmO及最多0.010P。
文檔編號C22C38/24GK1295624SQ99804470
公開日2001年5月16日 申請日期1999年2月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月27日
發(fā)明者奧德·桑德伯格, 本特·克拉倫夫喬德 申請人:尤迪霍爾姆工具公司