專利名稱：鋼材、其用途及其制造方法
技術領域：
本發明涉及具有新的化學組成及顯微組織的鋼材產品。本發明還涉及鋼材的制造及其用途。
背景技術：
對用于制造冷加工工具的材料，就韌性和耐磨性來說提出了高要求。通常這是確實的，例如，用于金屬板或片的切割、沖孔、彎曲和深拉的工具；用于壓制金屬粉的工具；以及冷軋輥。現在用于冷軋輥的鋼，例如，鋼帶的冷軋輥，一般標準組成是0.73C、1.0Si、0.6Mn、5.25Gr、1.10Mo、0.50V、平衡量鐵和不可避免的雜質。用這種材料制成的輥，當該輥淬透時，在使用的條件下具有硬度為58～60HRC。用這種材料的問題是，在材料淬透的條件下，該材料有斷裂的傾向，從而引起總體破壞。而且，耐磨性也不十分滿意。另一方面，粉末治金制造的鋼，其含有高含量的釩，可以滿足所涉及的韌性及耐磨性的高要求，但是昂貴。一般情況是設計用復合材料制造冷軋輥，其中，耐磨性的外面材料通常是由高級合金鋼制成，通過澆注或任何其他方式，與較韌性材料制成的芯相結合，該韌性材料一般是較少加入合金成分。這樣，可以得到具有良好的耐磨性和韌性的軋輥。其中某些缺點是制造成本昂貴。因此，仍然對材料有一個要求，即不需要粉末治金制造或復雜的技術，但仍然能滿足對冷加工鋼的要求，其中包括韌性和耐磨性。
發明簡述本發明的目的是致力于解決上述問題并提供一種新的可用于冷加工工具，特別是用于冷軋輥的鋼材，并且該鋼材具有滿意的韌度，淬透性和耐磨性。首先，本發明的目的是提供一種用于整體加工軋輥的材料，及/或用于鋼帶冷軋的承重輥。這里的“整體”，意指輥不是由復合材料構成的。本發明的這個目的和其他目的的可通過作為本發明特征的化學組成和作為本發明又一特征的顯微組織相結合而達到的。
本發明的鋼的化學組成和顯微組織在所附的權利要求中作了說明，并在下面將更詳細說明。如不另外說明，均指重量％而言。
本發明鋼產品的組織具有的硬度，在軟退火條件下為約250HB，而在強淬火條件下為30～50HRC，并且含有5～12％(體積)的MC-碳化物的顯微組織中，至少是約50％(體積)，優選的是至少約80％(體積)的尺寸大于3μm但小于25μm，優選的小于20μm。優選的是至少90％(體積)的MC型沉積的碳化物的大小是大于3μm但小于25μm，優選的是小于20μm。該材料適于與工具制造有關的切削型加工。除了用作成品，即工具，例如具有表面硬度達60～67HRC的輥，這種硬度是通過淬透或感應淬火后進行回火而達到的，其中，淬火和回火材料中顯微組織是由含有5～12％(體積)MC碳化物的回火的馬氏體構成的，其中至少50％(體積)，優選的是至少約80％(體積)的尺寸大于3μm，但小于25μm，優選是小于20μm。在這種情況下，優選的還可以是，至少約90％(體積)MC碳化物的尺寸是大于3μm但小于25μm，優選的是小于20μm。在回火前，馬氏體含有0.50～0.70％(重量)的碳。在本文中，尺寸意指在材料的研究中的任何一個方向的碳化物顆粒的最長延伸。
為了達到所述碳化物在鋼基體中的分散，眾所周知的許多技術可用于生產制造鋼產品的鋼錠。首先，推薦所謂噴射成型技術，它也是周知的稱為OSPREY法，按照該法，鋼錠連續地圍繞其縱軸旋轉，其中，熔化的金屬以液滴形式對著連續制造的鋼錠的生長端進行噴射，一旦它們碰撞基體表面，引起液滴快速固化，然而，它不像粉末制造那樣快，也不像常規的鋼錠制造或連續鑄造那樣慢。可能應用的另一技術是ESR再熔化法(電渣再熔化法)，它首先用于制造大尺寸的產品，即具有直徑350mm至600mm的產品。
鋼中涉及的各種合金元素，在下描述。
一方面，鋼中的碳要足量以和釩以及可能存在的鈮一起形成5～12％(體積)MC碳化物，其中M基本上是釩，以及，另一方面，在鋼基體的固體溶液中，碳量達到0.50～0.70％(重量)。合適的是，溶解在鋼基體中的碳的含量為約0.60％。鋼中的碳總量，即溶解在鋼基體中的量加上結合在碳化物中的量，至少是1.0％，優選的是至少1.1％，而碳的最大含量是達1.9％，優選的是最大達到1.7％。
按照本發明的第一優選實施方案，鋼含有1.4～1.7C，優選1.45～1.65C，額定約1.5C，與3～4.5V一起，最好是3.4～4.0V，額定的是約3.7，以提供MC-碳化物總量達8～12，優選是9～11％(體積)的MC碳化物，其中，釩可部分地被兩倍量的鈮所取代。
按照第二優選實施方案，鋼含有1.1～1.3C，額定的是1.2C，與2.0～3.0V一起，額定的是約2.3V，以提供MC-碳化物總量達到5～7％(體積)，優選的是約6％(體積)MC-碳化物，其中，釩部分地可被雙倍量鈮取代。
按照所有的實施方案，在回火前，淬火的馬氏體鋼基體含有0.50～0.70％C。
硅，可部分地被鋁取代，并與可能存在的鋁一起，其總量達到0.5～2.0％，優選為0.7～1.5％，適宜地量是0.8～1.2％，或額定量為約1.0％，以便增加鋼中碳的活性，因此，有助于達到鋼的適當硬度，而不引起脆性問題，這是因為在高含量硅時，分解硬化。然而，鋁的含量必須不超過1.0％。優選的是，鋼中含有最大不超過0.1％的Al。
鋼中的錳、鉻和鉬應含有足夠的量，以使鋼有足夠的淬透性。錳通過形成硫化錳而具有結合鋼中存在的少量的殘余量硫的作用。因此，錳的存在量應是0.1～1.5％，優選地，其量至少是0.2％。最合適的量是處于0.3～1.1％的范圍內，最適宜的是0.4～0.8％。錳的額定含量是約0.6％。
通過深達35mm以上的感應淬火以及淬透，能使本發明的鋼產品變硬。
鉻，它能大大促進淬透性，因此，在鋼中與錳和鉬一起存在，以使鋼具有適于采用的淬透性。這方面的淬透性，意指淬火以或多或少的深度穿透要淬火物體的能力。甚至在物體體積相當大的情況下，淬透性對要穿透淬火的物體將是足夠的而在淬火操作中不需要在油中或水中非常快地冷卻因為它引起尺寸變化，以及，在物體剖面提供硬度60～64HRC，一般地為62～64HRC。如果物體是感應淬火，可能達到更高的硬度，約為65～67HRC，而且，就涉及的感應淬火物體來說，表面層硬度一般是62～64HRC。當鋼中錳和鉬含量在上述范圍時，為了使所希望的淬透性達到某個值，鉻的含量至少為4.0％，優選是至少4.4％。同時，鉻必須不超過5.5％，優選的是其量最大達到5.2％以使在鋼中不能形成不希望有的碳化鉻。
鋼中存在的釩量至少為2.0％，最大為4.5％，以便與碳一起在鋼的強韌性的馬氏體基體中形成所述的MC-碳化物。如上所述，按照本發明的第一優選實施方案，鋼中含有3～4.5V，優選是含3.4～4.0V，額定約3.7V，它與適當量的碳一起，以便提供在淬火與回火條件下的MC-碳化物總量達到8～12％(體積)，優選地是9～11％(體積)。按照上述第二設想的實施方案，鋼中含2.0～3.0V，一般為約2～3V，它與上述碳量一起，以便提供MC碳化物總量達到5～7％(體積)，優選地是約6％(體積)。原則上，釩可被鈮取代，但與釩相比，需要2倍的鈮這是缺點。此外，鈮能使碳化物變成更尖銳的形狀，以及，它們也可變成比純碳化釩更大，該純碳化釩可引發裂口或造成碎片，從而降低材料的的韌度。因此，鈮的含量必須不超過最大值1.0％，優選不超過最大值0.5％。最有利的是，鋼中應該不含任何故意添加的鈮，因此，鋼的最優選的實施方案不容許鈮大于來自鋼生產中所用原料的以殘留元素形式存在的雜質量。
鉬的含量至少是2.5％，以使鋼具有所希望的淬透性，雖然表征鋼的特有特征的錳和鉻是受限制的量。優選地是，鋼中應含有至少2.8％的Mo，一般的是至少3.0％的Mo。最大地是，鋼中可以含有4.0％的Mo，優選的最大值是3.8，合適的最大值是3.6％的Mo，以便通過消耗所希望的MC-碳化物量來使鋼中不含有所不希望的M6C-碳化物。原則上，鉬可以全部地或部分地被鎢取代，但要求鎢量2倍于鉬，這是缺點的鉬。廢鋼處理也將更困難。因此，鎢的存在量不應比最大值1.0％高，優選的最大值為0.5％。最便利的是，鋼中不含有任何故意添加的鎢，在最優選的實施方案中，不容許鎢的含量大于來自鋼生產時所用的原材料的以殘留元素形態存在的雜質量。
除上述合金元素外，鋼中不需要也不應該含有有效量的任何更多的合金元素。某些元素是明確地不需要的，因為它們對鋼的性質有不良影響。例如，磷要保持盡量地低，以便它不能削弱鋼的強度。還有，硫是不希望的元素，但它對韌度的負影響，基本上可借助錳來中和，它形成基本上是無害的硫化錳。因此，硫被容許的最大含量是0.2％，優選地最大值為0.05％，以及，適宜的最大值為0.02％。其他元素，例如鎳、銅、鈷和其他元素，可以相當于鋼生產所用的原料中以殘留元素形態存在的雜質量。在鋼中，氮是作為一種不可避免的雜質存在的，但不作為故意添加的元素存在。
從下面實施的實驗的敘述和從所附的權利要求可進一步了解本發明特有的特征和狀態。
附圖的簡要說明在下面實施的試驗敘述中，可參考附圖，其中
圖1是說明回火溫度對所試鋼件的硬度的影響圖。
圖2是以放大尺寸表示具有最高硬度值的那些鋼，在圖1中的回火曲線的峰區域。
圖3是表示所試鋼材的韌度與沖擊能關系的柱狀圖。
圖4是表示所試鋼的抗磨耗性的柱狀圖。
圖5是表示用無凹口樣品進行沖擊試驗所測得的延展性與所試鋼的耐磨性的關系圖。
圖6是表示本發明鋼材的所研究材料剖面的顯微組織圖。
進行試驗的說明制造8種50kg實驗室用熱料。鋼的組成示于表1，其中合金元素用重量％表示，而碳化物含量用體積％表示，該熱料被鍛造成大小為60×60mm的棒狀。
表1試驗合金的組成，重量％
*熔于回火的馬氏體基體中的碳含量計算值在表1中，1～4號鋼是參考材料，而5～8號鋼具有本發明的組成。更詳細地說，5、6和7號鋼是按照所述鋼的第一優選實施方案的組合物實例，而8號鋼是所述本發明鋼的第二設想的實施方案的實例。在所制成的實驗合金根據以下進行測量。
-軟退火后的硬度(HB)-熱處理后的顯微組織；TA＝1030℃/30min/空氣+525℃/2×2h-在TA＝1030℃/30min/空氣+525℃/2×2h進行奧氏體化以后的硬度-在200℃、300℃、400℃、500℃、525℃、600℃/2×2h，TA＝1030℃/30min/空氣進行回火后的硬度-淬透性-抗磨耗性-韌度軟退火韌度1號和4～8號鋼合金的軟退火韌度示于表2。由于合金中的碳化物和釩含量，硬度被看作是正常的。
表2軟退火硬度
顯微組織包括在980～1030℃/30min進行奧氏體化+在500～525℃/2×2h進行淬火的熱處理后，用光-光學顯微鏡研究通過Thermo-Calc的各種合金變量的計算來測定顯微組織。碳化物量隨著鉻和釩含量的上升而增加。4號、7號鋼的碳化物相具有最大的量，見表1。硬度與回火溫度的關系回火溫度對所測鋼的硬度影響示于圖1和圖2，該鋼是在許多不同的奧氏體化溫度下進行了奧氏體化。就本發明涉及的所有鋼種來說，在1030℃/30min進行奧氏體化和在525～550℃/2×2h進行回火后，通過良好的范圍，達到回火后至少60HRC的硬度要求。淬透性通過比較膨脹計測量結果來測定鋼的淬透性。測得的硬度值列于表3。
表3膨脹計試驗測得的硬度
與1號鋼相比，其他合金具有改進的淬透性。特別是具有較高鉬含量的6號鋼，它具有改進的淬透性。韌度采用所試鋼的無凹口試驗樣品，于室溫下的沖擊試驗結果示于圖3。其韌度隨著碳化物含量的增加而降低。然而，特別是8號鋼，與具有56.5 HRC硬度的1號鋼相比，鑒于其硬度高達62HRC的事實，其具有非常好的韌度。磨耗性用SiO2作為研磨劑，通過釘到盤(pin-to-disc)試驗來測定磨耗性。隨著釩含量的增加，耐磨性強烈增加，如圖4所示。討論-性能分布表1示出許多不同的奧氏體化溫度下的碳含量、MC(碳化釩)、M3C(滲碳體)和總碳化物含量，這里的平衡證明不同合金的存在。
圖5表明用無凹口試樣通過沖擊試驗而測得的延展性，和用測試合金的SiO2的釘到盤試驗的耐磨性之間的關系。
根據由上述實驗導出的試驗，可以證實本發明鋼的二個上述實施方案的額定組成應具有表4的組分，其中，化學組分用重量％表示，在淬火和回火條件下的碳化物含量用體積％表示，而平衡的鐵和不可避免的雜質包括在上述量中。C意指溶解在馬氏體中的碳量。
表4設想的額定組成，重量％；體積％
根據實驗室規模生產的材料的研究實驗，通過噴射成型技術制造兩種真實大小的熱料。每種熱料重2300kg，直徑500mm。鋼的化學組成示于表5。
表5通過噴射成型生產的材料的化學組成，重量％
把這些鋼熱料于1130℃鍛造成最終尺寸為250mm的柱狀物。從這些柱狀物制取試樣，測其顯微組織。這些研究表明，與柱狀物表面鄰接的碳化物比柱狀物中心部位的要小，這是鋼熱料冷卻速率的自然結果。在表面上，大多數碳化物小于3μm，但是，通過取自柱狀物截面不同深度的許多樣品研究，發現滿足要求的柱狀物的主要部分的大小的體積至少為50％(體積)，以及，事實上，在柱狀物加熱處理前以及在淬火和回火后，至少80％(體積)的碳化物的尺寸處于3～25μm范圍內，一般處在3～20μm范圍內。
圖6表示樣品淬火和回火前的顯微組織，該樣品是從126號鋼熱料制成的柱狀物中心處取樣。
權利要求
1.一種鋼材，其特征在于，它含有一種具有下列化學組成的鋼(重量％)1.0～1.9C、0.5～2.0Si、0.1～1.5Mn、4.0～5.2Cr、2.5～4.0(Mo+W/2)，然而最大是1.0W，2.0～4.5(V+Nb/2)，然而最大是1.0Nb；平衡量鐵和來自鋼生產的以殘留元素形式存在的通常量雜質；它具有一種顯微組織，在鋼淬火和回火的條件下，該顯微組織含有5～12％(體積)的MC碳化物，該碳化物至少50％(體積)，優選是至少約80％(體積)，其尺寸是大于3μm但小于25μm，優選小于20μm，以及，在回火前，在鋼的淬火條件下的馬氏體中溶解有0.50～0.70％(重量)的碳。
2.按照權利要求1的鋼材，其特征在于，它含有1.35～1.7C和3.0～4.5V。
3.按照權利要求2的鋼材，其特征在于，它含有1.40～1.65C，合適的是至少1.45C，和3.4～4.0V，以及MC-碳化物總含量達到8～12，優選是達到9～11％(體積)。
4.按照權利要求1的鋼材，其特征在于，其含有1.1～1.3C和2.0～3.0V，以提供MC-碳化物總量達到5～7％(體積)。
5.按照權利要求1～4中任一的鋼材，其特征在于，鋼含有0.7～1.5，合適地是含有0.8～1.2％的Si。
6.按照權利要求1～5中任一的鋼材，其特征在于，硅可部分地被鋁取代，然而，鋼中不含有大于1.0的鋁，優選地是鋁的最大值為0.1％。
7.按照權利要求1～6中任一的鋼材，其特征在于，鋼含有至少0.2％的Mn，優選地是0.3～1.1Mn，合適地是0.4～0.8Mn。
8.按照權利要求1～7中任一的鋼材，其特征在于，它含有4.4～5.2％的Cr。
9.按照權利要求1～8中任一的鋼材，其特征在于，鋼含有2.5～3.6的Mo，優選地是2.75～3.25％的Mo。
10.按照權利要求1～9中任一的鋼材的用途，其用于制造冷加工工具。
11.按照權利要求10的用途，其用于制造金屬帶冷軋用的均質輥。
12.一種用于生產鋼產品的方法，其特征在于，按照權利要求1～9中的任一項，制造具有一種化學組成(重量％)的鋼熔體；通常的鋼錠澆注或連續澆注或通過噴射成型法從該鋼熔體制造鋼錠；通過塑性加工及/或機械加工，把該鋼錠加工成所希望的最終形狀；把所得到的產品通過1000～1100℃的奧氏體化進行熱處理和500～600℃的回火，以完成基體，該基體含有回火的馬氏體，并，在該基體中有，5～12(體積)的MC-碳化物，至少50體積％優選是至少約80％(體積)的碳化物，其大小為大于3μm但小于25μm，優選地是小于20μm。
13.一種鋼產品，其特征在于，它是按照權利要求12的方法制造的，以及，鋼的基體含有8～12，優選地是9～11％(體積)的MC-碳化物，以及淬火后的馬氏體含有0.50～0.70％(重量)溶解的碳。
14.一種鋼產品，其特征在于，它是按照權利要求12的方法制造的，并在淬火后，鋼基體由馬氏體構成，該馬氏體含有5～7％(體積)的MC-碳化物和0.50～0.70％(重量)溶解的碳。
全文摘要
本發明涉及一種鋼材,該鋼材由具有下列化學組成(重量%)的鋼所構成:1.0～1.9C、0.5～2.0Si、0.1～1.5Mn、4.0～5.5Cr、2.5～4.0(Mo+W/2),而最大值為1.0W、2.0～4.5(V+Nb/2),而最大值為1.0Nb,平衡量鐵和來自鋼生產以殘留元素形式存在的規定量的雜質;其具有一種顯微組織,其中,在鋼淬火和回火條件下,含有5～12%(體積)的MC－碳化物,至少約80%(體積)的碳化物的大小為大于3μm但小于25μm,優選是小于20μm,以及,在回火前,在鋼的淬火條件下溶于馬氏體中的碳為0.50～0.70%(重量)。該材料可用作冷加工工具,首先用于金屬帶冷軋用的均質輥。
文檔編號C22C38/36GK1378605SQ0081388
公開日2002年11月6日 申請日期2000年9月27日 優先權日1999年10月5日
發明者奧德·桑德伯格, 博·賴德爾 申請人:尤迪霍爾姆工具公司