TW201814067A - 熱加工工具鋼 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於熱加工工具鋼。該鋼包含以下主要組分(以wt.%計)：C 0.26-0.38
Si 0.1-0.3
Mn 0.1-0.8
Cr 1.4-3.9
Mo 2.0-3.0
W 0.8-1.5
Ni 0.6-1.7
V 0.1-0.4
其餘為視情況選用之元素、鐵及雜質。
Description
本發明係關於一種熱加工工具鋼。
釩合金基質工具鋼已在市場上存在數十年，並且由於其將高的耐磨性與優異的尺寸穩定性合併之事實，且因為其亦具有良好的韌性，因此得到相當大的關注。此等鋼具有廣泛應用，諸如模壓鑄及鍛造。此等鋼通常藉由習知冶金隨後電渣重熔(Electro Slag Remelting；ESR)所製造。
Uddeholm DIEVAR®為一種高性能鉻鉬釩鋼，如WO 99/50468 A1所述，其含有平衡的碳及釩含量。
亦已知使用氮及釩合金化的低鉻工具鋼用於熱加工，尤其用於無需高硬化性但對耐回火性及熱疲勞性要求高的小型工具。耐回火性為熱加工工具鋼長時間在高溫下維持其硬度的能力。WO 2012/119925 A1揭示了此種鋼。
儘管由ESR製造的釩合金工具鋼在熱裂、總裂解、熱磨耗及塑性變形上相對於習知製造的工具鋼具有更好的性質，但需要進一步改良以降低熱加工工具故障，諸如在高壓模壓鑄中的熱裂及總裂解的風險。此外，進一步改良熱加工工具鋼的熱強度及耐回火性會是有利的。
本發明之目的為提供一種具有改良性質輪廓的熱加工工具鋼，其致使工具的壽命增加。
本發明之另一目的為提供一種鋼，其具有改良的耐回火性以及併有高韌性及良好的硬化性，從而允許製造具有良好性質的大型材。亦欲改良熱裂，同時維持良好的抗熱磨耗及良好的抗總裂解。另一目的仍為提供一種呈粉末形式的鋼組成物，其適用於添加劑製造(Additive Manufacturing；AM)，尤其用於製造或修理注模工具及模具。
上述目的以及額外的優點係藉由提供具有如申請專利範圍所說明之組成的熱加工工具鋼實現至顯著的程度。
本發明係在申請專利範圍中所定義。
以下簡要說明各個元件及其相互作用的重要性以及所請合金之化學成分之限制。在整個說明書中，鋼之化學組成之所有百分比係以重量%(wt.%)提供。硬相之量係以體積%(vol.%)提供。個別元件的上限及下限可在申請專利範圍所說明的限制內自由組合。
碳(0.26-0.38%)
係以0.26%，較佳至少0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33或0.34%之最小含量存在。碳的上限為0.38%，且可設定為0.37、0.36或0.35%。較佳 範圍為0.30-0.38%及0.33-0.37%。在任何情況下，應控制碳之量，使得鋼中M23C6、M7C3及M6C型之一級碳化物之量受到限制，較佳者，鋼不含此種一次碳化物。
矽(0.1-0.3%)
矽係用於脫氧。Si係以溶解的形式存在於鋼中。Si為強鐵氧體形成體(ferrite former)，且增加碳活性，因此增加了形成非所欲的碳化物的風險，此對衝擊強度有負面的影響。矽亦易於界面分離，此可能致使韌性及耐熱疲勞性降低。因此，將Si限制在0.3%。上限可為0.29、0.28、0.27、0.26、0.25、0.24、0.23及0.22%。下限可為0.12、0.14、0.16、0.18及0.20%。較佳範圍為0.10-0.25%及0.15-0.24%。
錳(0.1-0.8%)
錳有助於改良鋼的硬化性，並與硫錳一起有助於藉由形成硫化錳來改良機械加工性。因此，錳應以0.1%，較佳至少0.2、0.3、0.35、0.4、0.45或0.5%之最小含量存在。在較高的硫含量下，錳防止鋼中的紅脆性。Mn亦可能引起非所欲的微分離，致使呈帶狀結構。鋼應含有最大0.8%、較佳最大0.7、0.6、0.55或0.5%。
鉻(1.4-3.9%)
鉻係以至少1.6%之含量存在，以在熱處理期間在較大橫截面中提供良好的硬化性。若鉻含量過高，則可能致使形成高溫鐵氧體，此降低了熱加工性。下限可為1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5或2.6%。上限可為3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7或3.8%。
鉬(2.0-3.0%)
已知Mo對硬化性具有非常有利的影響。鉬對於獲得良好的二次硬化反應係必要的。最低含量為2.0%，且可設定為2.1、2.2或2.3%。鉬為一種強碳化物形成元素，且亦為一種強鐵氧體形成體。因此，鉬之最大含量為3.0%。Mo可限制為2.9、2.8、2.7、2.6、2.5或2.4%。
鎢(0.8-1.5%)
鎢為本發明之必要元素。若鋼經受氮氣霧化，W有助於二次硬化，且不與氮反應形成氮化物。在二次硬化期間，鎢可形成M2C型之碳化物。據信鎢原子的大半徑使其擴散緩慢，因此正面地有助於改良耐回火性。
鎳(0.6-1.7%)
鎳應以0.6-1.7%之量存在，以提供鋼良好的硬化性及韌性。此外，與Mo組合的Ni似乎會減少所請類型之鋼中的殘餘奧氏體(austenite)之量。然而，由於費用關係，鋼的鎳含量應受到限制。因此，上限可設定為1.6、1.5、1.5、1.4或1.3%。下限可設定為0.7、0.8、0.9、1.0或1.1%。
釩(0.1-0.4%)
釩在鋼基質中形成均勻分佈的V(N,C)型一級沉澱碳化物及碳氮化物。此硬相亦可表示為MX，其中M主要為V但Cr及Mo可存在，以及X為C、N及B中之一或多者。因此，釩應以0.1-0.4%之量存在。上限可設定為0.39、0.38、0.37、0.36、0.35、0.34、0.33、0.32、0.31或0.30%。下限可為0.15、0.16、0.17、0.18、0.19或0.20%。
鋁(0.001-0.06%)
鋁係與Si及Mn組合用於脫氧。下限設定為0.001、0.003、0.005或0.007%，以確保良好的脫氧。上限限制在0.06%，以避免沉澱非所欲的相(諸如AIN)。 上限可為0.05、0.04、0.03、0.02或0.015%。
氮(0.01-0.12%)
氮為視情況選用之元素。N可限制在0.01-0.12%，以獲得所需類型及量的硬相(尤其是V(C,N))。當氮含量對於釩含量適當平衡時，會形成富含釩的碳氮化物V(C,N)。這些在奧氏體化步驟期間會部分地溶解，然後在回火步驟期間作為奈米尺寸的粒子沉澱。釩碳氮化物的熱穩定性被視為優於釩碳化物的熱穩定性，因此可改良工具鋼的耐回火性以及在高奧氏體化溫度下提高耐晶粒生長性。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0.11、0.10、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04或0.03%。
銅(0.02-2.0%)
Cu為視情況選用之元素，其可有助於增加鋼的硬度及耐腐蝕性。若使用，較佳範圍為0.02-1%。然而，一旦添加了銅，就不可能自鋼中提取銅。這使得廢料處理更加困難。由於此原因，通常不會故意添加銅。
鈷(8%)
Co為視情況選用之元素。Co致使固相線溫度升高，因此提供了提高硬化溫度的機會，其可比無Co的情況下高15-30℃。因此在奧氏體化期間可溶解更大部分的碳化物，從而提高硬化性。Co亦增加了Ms溫度。然而，大量的Co可能致使韌性及耐磨耗降低。若添加，最大量為8%，有效量可為2-6%，尤其4%至5%。然而，由於實際原因(諸如廢料處理)，通常不故意添加Co。然後可將最大雜質含量設定為1%、0.5%、0.3%、0.2%或0.1%。
鈮(0.1%)
鈮類似釩，因為其形成M(N,C)型之碳氮化物。然而，Nb致使M(N,C)具有更具角度的形狀，並且可能在高含量下降低硬化性。因此，最大量為0.1%、較佳為0.05%。Nb沉澱物比V沉澱物更穩定，因此可用於晶粒細化，因為NbC的細分散發揮了釘扎晶粒邊界的作用，致使晶粒細化以及高溫下改良的韌性及改良的耐軟化性。由於此原因，Nb可以0.1%之量，較佳以0.01-0.05%之量存在。
Ti，Zr及Ta
此等元素為碳化物形成體，並且可以所請之範圍存在於合金中以改變硬相的組成。但是，通常不會添加此等元素。
硼(0.01%)
可使用B以進一步增加鋼的硬度。該量限制在0.01%、較佳0.005%。添加B的較佳範圍為0.001-0.004%。
Ca、Mg及REM(稀土金屬(Rare Earth Metals))
此等元素可以所請之量添加至鋼中以改質非金屬夾雜物及/或以進一步改良機械加工性、熱加工性及/或可焊性。
雜質元素
P、S及O為主要的雜質，其通常對鋼的機械性質具有負面影響。因此，P可限制為0.03%、較佳0.01%。S可限制為0.0015、0.0010、0.0008、0.0005或甚至0.0001%。O可限制為0.0015、0.0012、0.0010、0.0008、0.0006或0.0005%。然而，S可以0.005-0.5%、尤其0.05-0.3%範圍視情況選用，以提高鋼的機械加工性。
鋼製造
具有所請之化學組成的工具鋼可藉由以下所製造：習知冶金，包括在電弧爐(Electric Arc Furnace；EAF)中熔化並且在澆桶(ladle)中進一步精煉，視情況在鑄造之前進行真空處理。錠亦可經受電渣重熔(ESR)以進一步改良錠的清潔度及微觀結構均勻性。然而，所請之鋼的更佳加工路線為氣體霧化，隨後熱均壓(hot isostatic pressing；HIP)。如此製造的鋼可被用作HIP或經受諸如鍛造及輥軋的進一步加工。
通常鋼在被使用前經受硬化及回火。
奧氏體化可在1000-1070℃、較佳1030-1050℃範圍的奧氏體化溫度(TA)下進行。典型的TA為1040℃，保持時間為30分鐘，隨後快速淬火。回火溫度根據硬度條件而選擇，並且在600-650℃下進行2小時至少兩次(2×2h)，隨後在空氣中冷卻。
在此實施例中，根據優質鋼Uddeholm Dievar®比較兩種本發明的合金。
合金具有以下組成(以wt.%計)：
其餘為鐵及雜質。
所有的鋼在真空爐中在1020℃下經受奧氏體化處理，然後在800-500℃區間中以100秒的時間(t8/5=100s)進行氣體淬火。鋼1及Uddeholm Dievar®在615℃下經受回火2小時2次(2×2)。鋼2在615℃下經受回火2小時3次(3×2)。
在℃的溫度下檢測合金的耐回火性。雖然本發明的鋼在試驗開始時具有較低的初始硬度，但是自圖1可看出，本發明的鋼與比較鋼Uddeholm Dievar®相比具有明顯更好的耐回火性。
產業利用性
本發明的工具鋼有用於在需要良好的硬化性及良好的耐回火性的模具。合金的霧化粉末可用於製造具有優異結構均勻性的HIP產品。該合金粉末可用於製造或修理模具，尤其藉由添加劑製造方法。
Claims (9)
- 一種用於熱加工的工具鋼，其係由以下以重量%(wt.%)計的組分組成：C 0.26-0.38，Si 0.1-0.3，Mn 0.1-0.8，Cr 1.4-3.9，Mo 2.0-3.0，W 0.8-1.5，Ni 0.6-1.7，V 0.1-0.4，視情況選用以下之一或多者：Al 0.001-0.06，N 0.01-0.12，Cu 0.02-2，Co 8，Nb 0.1，Ti 0.05，Zr 0.05，Ta 0.05，B 0.01，Ca 0.00005-0.009， Mg 0.01，REM 0.2，S 0.005-0.5，除雜質外其餘為Fe。
- 根據申請專利範圍第1項之鋼，其中該鋼係藉由氣體霧化隨後進行熱均壓所製造，且其中微結構中至少80%的碳化物、氮化物及/或碳氮化物的當量圓直徑(Equivalent Circle Diameter；ECD)小於5μm、較佳小於2.5μm，其中該ECD=2√A/π，其中A為研究部分中碳化物粒子的表面。
- 根據申請專利範圍第1項或第2項之鋼，其滿足以下條件中之至少一者：C 0.26-0.37，Mn 0.2-0.8，Cr 1.6-3.7，Mo 2.0-3.0，W 0.8-1.5，Ni 0.6-1.6，V 0.15-0.40，Al 0.001-0.06，N 0.01-0.10，Nb 0.01-0.05。
- 根據前述申請專利範圍中任一項之鋼，其滿足以下條件中之至少一者： C 0.28-0.35，Mn 0.2-0.7，Cr 1.7-3.5，Mo 2.1-2.9，W 0.8-1.3，Ni 0.8-1.5，V 0.20-0.35，Al 0.005-0.05，N 0.01-0.07。
- 根據前述申請專利範圍中任一項之鋼，其滿足以下條件：C 0.28-0.35，Cr 1.7-3.5，Mo 2.1-2.9，W 0.8-1.3，Ni 0.8-1.5，N 0.01-0.07。
- 一種鋼粉末，其具有根據申請專利範圍第1項及第3項至第5項中任一項的組成。
- 根據申請專利範圍第6項之鋼粉末，其中該粉末的尺寸為 500μm。
- 一種根據申請專利範圍第6項或第7項之鋼粉末的用途，其係用於雷射包覆、添加劑製造或金屬射出成形。
- 一種模具，其至少一部分包含申請專利範圍第1項及第3項至第5項 中任一項所定義的合金。
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