專利名稱：具有提高韌性的工具鋼、采用該鋼制造的部件的制備方法以及所獲得的部件的制作方法
技術領域：
本發明涉及韌性比現有技術水平更高的工具鋼組合物、制備這種組合物的方法以及由此能夠獲得的部件。
在許多場合，特別是在涉及相互接觸的兩個金屬部件之間存在相對運動，而其中的一個部件的幾何整體性必須盡可能長地得到保持的場合，工具鋼得到非常廣泛的應用。作為說明性實例，可以提及的有加工和切削工具以及度量衡儀器。
保持這些部件的幾何整體性要求良好的耐磨性、良好的變形抗力和在靜載或動載下的良好強度，這意味著所使用的鋼必須具有高韌性和高硬度。
此外，所使用的鋼必須展現出良好的淬透性，以便使其硬化處理之后的結構在較大的厚度范圍盡可能均勻一致。
但是，上述各種要求常常證明是相互矛盾的。一種稱作AISI D2的冷加工用工具鋼已為人所知并且得到廣泛應用。該鋼含有(以重量計)1.5％碳和12％鉻，還添加了一些起硬化作用的碳化物形成元素，例如Mo或V。高的碳和鉻含量導致大量的M7C3型共晶碳化物析出，這種碳化物在凝固結束時的高溫形成，并且結果很粗大，在金屬基體中分布不均勻。
盡管在鋼中存在體積分數很大的硬碳化物有利于提高耐磨性，但是，碳化物的分布不均勻卻對韌性有害。
因此，為了消除這一問題，已提出將這種鋼的碳含量和鉻含量分別降至約1％和8％，而作為補償，添加約2.5％的更高含量的鉬(EP0 930 374)。碳含量的降低使得共晶碳化物的體積分數下降，這對于韌性有利。硬度較高的鉬的碳化物的增加進而能夠保持鋼的硬度和耐磨性。
但是，仍然有必要進一步改善所述碳化物的分布，以便在不降低鋼的硬度和耐磨性的條件下，提高其韌性。
本發明人已發現通過添加充分量的氮，同時，依據氮含量添加最少量的鈦和/或鋯，能夠出人意料地獲得一種可以改善韌性與機械強度和耐磨性之間平衡的新方法。
更具體地，他們已發現當滿足如下條件時，能夠同時細化鉻、鉬和鎢的碳化物，提高韌性-一方面，N≥0.004％，優選N≥0.006％，以及-另一方面，(Ti+1/2Zr)×N≥2.5×10-4％2，Ti，Zr和N含量的單位是％(重量)。
這種對氮和鈦或鋯的共同要求建議活性因素是存在鈦和/或鋯的氮化物。可以認為這些氮化物具有細化鉻、鉬和鎢的碳化物尺寸的作用。結果，粗大的鉻、鉬和鎢的碳化物的平均尺寸由根據現有技術的約10μm的典型值降至根據本發明的約4μm。
因此，本發明的第一個目標在于一種鋼，該鋼的組成中含有(其百分數以％(重量)表示)0.8 ≤C ≤1.55.0 ≤Cr ≤140.2 ≤Mn ≤3Ni ≤5V ≤1Nb ≤0.1Si+Al ≤2Cu ≤1S ≤0.3Ca ≤0.1Se ≤0.1Te ≤0.11.0 ≤Mo+W ≤40.06 ≤Ti+Zr ≤0.150.004≤N ≤0.02
該組成的余量包括鐵和來自于熔煉過程中的雜質。還應注意2.5×10-4％2≤(Ti+1/2Zr)×N。
在本發明的一個優選實施方案中，所述鋼組成含有(其百分數以％(重量)表示)0.8 ≤C ≤1.27.0 ≤Cr ≤90.2 ≤Mn ≤1.5Ni ≤10.1 ≤V ≤0.6Nb ≤0.1Si+Al ≤1.2Cu ≤1S ≤0.3Ca ≤0.1Se ≤0.1Te ≤0.12.4 ≤Mo+W ≤30.06≤Ti+Zr ≤0.150.004 ≤N ≤0.02該組成的余量包括鐵和來自于熔煉過程中的雜質。還應注意2.5×10-4％2≤(Ti+1/2Zr)×N。
根據本發明的鋼的鈦和/或鋯含量必須處于0.06-0.15％(重量)之間。這是因為高于0.15％(重量)時，鈦和/或鋯的氮化物的析出趨于聚集并喪失其有效性。另一方面，如果含量低于0.06％(重量)，則存在的鈦和/或鋯含量不足于形成足夠的鈦和/或鋯的碳化物，結果不能實現所要求的韌性和耐磨性的提高。應該注意可以按照一份鈦代替2份鋯的比例，用鈦完全或部分代替鋯。
根據本發明的鋼中的氮含量必須為0.004-0.02％(重量)，優選0.006-0.02％(重量)。將其含量限制在0.02％(重量)，是因為高于此值，韌性趨于下降。
根據本發明的鋼中的碳含量必須為0.8-1.5％(重量)，優選0.8-1.2％(重量)。必須存在充分量的碳，以便形成碳化物和達到獲得這種級別的鋼所要求的硬度水平。
在另一個優選實施方案中，根據本發明的鋼中的碳含量為0.9-1.5％(重量)，以便確保通過同樣的熱處理獲得改進的硬度，并且通過增加硬碳化物的體積分數提高耐磨性。
根據本發明的鋼中的鉻含量必須為5-14％(重量)，優選7-9％(重量)。該元素一方面能夠提高該級別鋼的淬透性，另一方面又能夠形成硬的碳化物。
根據本發明的鋼中的錳含量必須為0.2-3％(重量)，優選0.2-1.5％(重量)。在所述鋼中添加該元素是因為它是一種硬化元素，但是，應限制其含量，以便限制偏析形成，因為偏析會導致可鍛性變差和韌性大大降低。
所述鋼可以含有最多5％(重量)的鎳。優選地，該元素的含量必須保持低于1％(重量)。在根據本發明的鋼中可以添加該元素是因為它是一種硬化元素，而且它不會產生偏析問題。但是，由于鎳是一種有利于形成殘余奧氏體的γ相形成元素，因此應對其含量進行限制。
為了改善鋼在使用之前通常進行的回火中的軟化抗力，在組成中添加強碳化物形成元素很有用，所述強碳化物形成元素在回火期間能夠形成細小的MC型碳化物。
其中，優選釩，而且，這時，所使用的釩含量至少0.1％，但不超過1％，優選低于0.6％。
鈮趨于在更高溫度下析出，并且，結果會損害鋼的可鍛性。因此，應避免存在鈮，而且，在任何情況下，其含量都不應高于0.1％，并且優選低于0.02％(重量)。
根據本發明的鋼中的硅和/或鋁的含量必須低于2％(重量)。除了具有對所述級別鋼進行脫氧的作用之外，這些元素能夠延緩碳化物在高溫下的聚集，結果降低回火期間的軟化速率。由于在高于2％(重量)時會使鋼變脆，因此，應對它們的含量進行限制。
根據本發明的鋼中的鉬和/或鎢的含量必須為1-4％(重量)，優選2.4-3％(重量)。應該注意到可以按照一份鉬代替2份鎢的比例，用鉬完全或部分代替鎢。這兩種元素能夠提高該級別鋼的淬透性和形成硬的碳化物。由于這兩種元素是偏析的原因，故應限制它們的含量。
銅可以存在于鋼中，但是，為了不損害鋼的可鍛性，其含量應低于1％。
此外，為了改善鋼的機加工性，可以添加含量不超過0.3％的硫。可能的話，所述硫與每種含量均低于0.1％的鈣、硒或碲一起添加。
根據本發明的級別鋼的熔煉，包括添加鈦和/或鋯的方法，可以采用任何傳統方法進行。但是，采用根據本發明的方法可能更有利，根據本發明的方法構成了本發明的第二個目標。
這種制備部件的方法包括第一個步驟，該步驟包括通過熔化根據本發明鋼中除鈦和/或鋯之外的所有元素對液態鋼進行熔煉，然后，向熔融鋼液中添加鈦和/或鋯，同時自始至終防止熔融鋼液中鈦和/或鋯的濃度出現局部過高。
這是因為本發明人已發現根據現有技術，以固態鐵合金或者金屬元素形式添加鈦和鋯的傳統方法，會產生粗大并且最終數目很少的鈦和/鋯的氮化物。當其中的一些氮化物隨后甚至發生沉降時，情況尤其如此。這種情況似乎與所述添加方法會使得在鋼液中添加元素的區域，鈦和/或鋯的濃度出現很大程度的局部過高這一事實有關。
實施根據本發明方法的第一個步驟的方式之一是向覆蓋在液態鋼液上的鋼渣中連續添加鈦和/或鋯，然后，鈦和/或鋯從中逐漸溢出進入鋼液中。
實施根據本發明方法的第一個步驟的另一種方式是通過向熔融鋼液中連續送入由鈦或鋯或者這兩種元素構成的線材來添加鈦和/或鋯，而同時通過起泡或者其它合適方法對鋼液進行攪拌。
實施根據本發明方法的第一個步驟的又一種方式是通過向熔融鋼液中吹入含有鈦或鋯或者這兩種元素的粉末來添加鈦和/或鋯，而同時通過起泡或者其它合適方法對鋼液進行攪拌。
在本發明中，優選采用剛剛介紹的各種實施方法，但是，應該知道任何能夠避免鈦和/或鋯的濃度出現局部過高的方法都可以采用。
熔煉一般在電弧爐或者感應爐中進行。
在熔煉操作之后，將鋼液鑄造成鑄錠或板坯。為了細化其結構，可以進行型內攪拌，或者可以采用使用自耗電極的電渣重熔法。
然后，通過熱塑性變形例如鍛造或軋制對所述鑄錠或板坯進行適當的成型處理。
之后，可以采用傳統的工具鋼處理手段對所述鋼進行熱處理。這種熱處理可以任選包括如下步驟為了使其更易于切削和機加工進行的退火步驟，之后進行的奧氏體化步驟，隨后的依據厚度采用例如空冷或者油冷法進行的冷卻步驟，之后，依據要求達到的硬度水平，還可能存在一個退火步驟。
本發明的第三個目標在于一種由具有根據本發明組成的鋼制成或者通過實施根據本發明的方法獲得的部件，而且，所述部件中，源自于凝固過程的鉻、鉬或鎢的碳化物析出相的平均尺寸為2.5-6μm，優選3-4.5μm。
本發明借助下面的觀察結果和實施例進行說明，表1給出了試驗鋼的化學組成，其中，爐次1是根據本發明的鋼，爐次2作為對照鋼示出。
表1
所使用的縮寫VL體積損耗，單位mm3；KV斷裂能量，單位J/cm2；T韌性，單位J/cm2。
實施例1-韌性通過在1150℃下對由根據本發明的爐次1和對照爐次2的組合物獲得的鑄錠進行軋制，制備出兩種部件。然后，在1050℃下對試樣進行1小時的奧氏體化，油淬并且，之后，進行兩次回火，回火工藝為525℃×1小時，以便使硬度值為HRC60。
接下來，采用不同的測量韌性的方法進行兩個系列的試驗-采用夏氏試樣進行沖擊彎曲試驗，該試樣具有根據NF EN10045-2標準的V型缺口試棒形狀，由此獲得斷裂能量KV；以及-采用無缺口試樣(尺寸10mm×10mm)進行沖擊彎曲試驗，由此獲得韌性T。
獲得的結果如下表所示。
可以看出無論使用何種方法，根據本發明的爐次1的韌性都優于對照爐次2。
實施例2-耐磨性采用與實施例1類似方式制造出兩種部件，并且，根據ASTM G52標準測定耐磨性，采用該標準能夠確定測試試樣的體積損耗。該試驗包括測量受到石英砂流磨料磨損的試樣的重量損失，該石英砂具有標定的粒子尺寸，被加入到包覆橡膠的輪子與靜止試樣之間。
所獲結果如下表所示。
可以看出根據本發明的爐次1的耐磨性稍優于對照爐次2。
權利要求
1.工具鋼，其組成含有(其百分數以％(重量)表示)0.8≤C≤1.55.0≤Cr ≤140.2≤Mn ≤3Ni ≤5V≤1Nb ≤0.1Si+Al≤2Cu ≤1S≤0.3Ca ≤0.1Se ≤0.1Te ≤0.11.0≤Mo+W ≤40.06 ≤Ti+Zr ≤0.150.004 ≤N≤0.02該組成的余量包括鐵和來自于熔煉過程中的雜質，還應注意2.5×10-4％2≤(Ti+1/2Zr)×N。
2.根據權利要求1的鋼，其進一步特征在于所述組成含有(其百分數以％(重量)表示)0.8≤C≤1.27.0≤Cr ≤90.2≤Mn ≤1.5Ni ≤10.1≤V≤0.6Nb ≤0.1Si+Al≤1.2Cu ≤1S≤0.3Ca ≤0.1Se ≤0.1Te ≤0.12.4 ≤Mo+W ≤30.06 ≤Ti+Zr ≤0.150.004≤N ≤0.02該組成的余量包括鐵和來自于熔煉過程中的雜質，還應注意2.5×10-4％2≤(Ti+1/2Zr)×N。
3.根據權利要求1或2的鋼，其進一步特征在于鈮含量低于或等于0.02％(重量)。
4.根據權利要求1-3中之任一項的鋼，其進一步特征在于氮含量為0.006-0.02％(重量)。
5.由具有根據權利要求1-4中之任一項組成的鋼制成的部件的制備方法，其特征在于-通過熔化所述組成中除鈦和/或鋯之外的所有元素對液態鋼進行熔煉，然后，向熔融鋼液中添加鈦和/或鋯，同時自始至終防止熔融鋼液中鈦和/或鋯的濃度出現局部過高；-將所述液態鋼液鑄造成鑄錠或板坯；以及-通過熱塑性變形對所述鑄錠或板坯進行成型處理，然后，任選進行熱處理，以便獲得所述部件。
6.根據權利要求5的方法，其特征在于向覆蓋在液態鋼液上的鋼渣中連續添加鈦和/或鋯，然后，鈦和/或鋯從中逐漸溢出進入所述鋼液中。
7.根據權利要求5的方法，其特征在于通過向鋼液中連續送入由鈦和/或鋯構成的線材來添加鈦和/或鋯，而同時對所述鋼液進行攪拌。
8.權利要求5的方法，其特征在于在對熔融鋼液進行攪拌的同時，通過向所述鋼液中吹入含有鈦和/或鋯的粉末添加鈦和/或鋯。
9.由具有權利要求1～4中任一項的組成的鋼制成或通過實施權利要求5-8中任一項的方法獲得的部件，其特征在于源自凝固過程的鉻、鉬或鎢的碳化物析出相的平均尺寸為2.5-6μm。
10.權利要求9的部件，其特征在于源自凝固過程的鉻、鉬或鎢的碳化物析出相的平均尺寸為3-4.5μm。
全文摘要
本發明涉及一種工具鋼，其組成含有(其百分數以％(重量)表示)0.8≤C≤1.5；5.0≤Cr≤14；0.2≤Mn≤3；Ni≤5；V≤1；Nb≤0.1；Si+Al≤2；Cu≤1；S≤0.3；Ca≤0.1；Se≤0.1；Te≤0.1；1.0≤Mo+1/2W≤4；0.06≤Ti+1/2Zr≤0.15；0.004≤N≤0.02。該組成的余量包括鐵和來自于熔煉過程中的雜質。還應注意2.5×10
文檔編號C21D6/00GK1503852SQ02808427
公開日2004年6月9日 申請日期2002年4月16日 優先權日2001年4月18日
發明者J·貝吉尼奧, D·維亞勒, J 貝吉尼奧, 搶 申請人:于西納公司