专利名称：用于切割零件的合金钢的制作方法
技术领域：
本发明公开的内容涉及用于切割零件的材料，该材料具有高水准的要求，尤其是耐腐蚀性和硬度。该材料的零件可以通过光刻制造，并且为满足这些要求，需要如下所述的非常独特的特性组合。
背景技术：
首先在研究适合于切割工具的材料所需要的特性时，硬度非常重要。高硬度材料可以更好的抗塑性变形，这对于刀刃是一般的退化机理，也就是当刀刃受压时刀刃容易弯曲和/或挠曲。此外，高硬度材料更耐磨损，并且因此使刀刃更长时间保持锋利，或者换句话说，具有更好的刀刃耐久性。高硬度材料的其他优点是通常所知的减少韧性将使在机械磨削和抛光中获得改善的毛边断裂(burr breaking)，从而获得更锋利的刀刃。用于具有刀刃耐久性和机械锐化(mechanical sharpening)可能性要求的刀刃的材料的硬度绝对最小值判定为56HRC(洛氏硬度C级，其相当于大约615HV 1kg，也就是用维氏硬度计以1kg载荷测定的硬度)。
另一个强烈影响材料的刀刃耐久性的因素是材料中硬颗粒(碳化物，氮化物，和碳氮化物，以下统一命名为碳氮化物)的存在。碳氮化物的体积分数越大，其赋予材料越好的刀刃耐久性。然而，必须考虑所存在的限制通过机械切削加工或光刻制造真正锋利刀刃的可能性。以机械切削加工具有小边缘角(＜30度)的刀刃时，经验显示直径大于10μm的碳氮化物(也适用于炉渣和夹杂物)导致撕裂(tear out)和刀刃损坏，刀刃的原始锋利被剧烈损坏。对于通过蚀刻制造刀刃而言，其要求更高。而光刻的方式，其适合于用薄材料制造复杂零件，并且该材料表面的部分由保护膜保护。在未受保护的区域，蚀刻剂(例如HCl和FeCl3的混合物)喷射到其表面，从而能够进行化学处理。依靠基体物质(bulk mass)和碳氮化物的不同电化学性质，蚀刻将在基体物质和碳氮化物之间的边界加速进行。这必然伴有碳氮化物从材料中蚀刻出来的风险。为了不使该现象消极地影响最终产品，直径大于5μm的碳氮化物不能存在于材料中。含有大碳氮化物的通常原因是合金添加剂在，而该合金添加剂具有非常强的生成碳化物的元素，比如钒，因此优选避免这类合金元素。大碳氮化物的另一个原因是当铸造和热加工材料时不良的过程控制。大碳氮化物(φ＞10μm)，尤其是在铸造中形成的尖锐的一次碳化物，也限制了光洁的抛光材料的可能性。
当在马氏体不锈铬钢上发生腐蚀时，其经常是点状腐蚀(pittingcorrosion)型。控制该腐蚀类型的三种最主要的合金元素是铬、钼和氮。经常使用的一个抗点蚀的度量是PRE值(抗点蚀性等效值)，PRE＝％Cr+3.3·％Mo+16·％N。为了在具有氯离子的环境中获得足够的耐腐蚀性，经验显示PRE值按照以上所述，对于马氏体铬钢应当大于25。
按照本发明，对于该材料的附加要求是，其以价格可取和品质获得保证的方式，能够通过连续加工来硬化(带宽度高达1000mm和带厚度薄至15μm)，包括用于奥氏体化的炉(furnace)，用于转化为马氏体的淬火和最后用于回火的炉。在奥氏体化过程中，材料内的碳氮化物在某种程度上被溶解，因而基体内的合金元素的含量增大。为了使溶解均匀(能够获得优良的尺寸公差)和短时间内(高产量)发生，需要碳氮化物具有小尺寸(φ＜5μm)，此外还需要尺寸分布是均匀的，这通过精确控制的生产过程来控制。该材料的生产过程包括用电弧炉或者高频感应炉熔化原材料。材料中碳含量可以通过原材料的选择而控制，或通过用AOD(氩氧脱碳)、CLU(蒸汽氧脱碳法)或另外的精炼法脱碳来控制。作为替换，该材料可用二次冶金法(secondary metallurgical process)比如VIM(真空感应熔炼)、VAR(真空电弧重熔)、ESR(电渣重熔)等重熔。铸造可以是用传统方式制造为锭或连续铸造。首先在温热状态下进行强还原，然后对该材料进行球化处理(spheroidized)。接着，进行多级冷轧，其中还包括中间退火操作。材料可以通过冷轧，退火，或者硬化与回火形式交付给顾客。按照以上所述的马氏体不锈铬钢，其对于通过光化学加工制造零件比奥氏体材料具有优势。其优点尤其值得一提的是该材料在硬化后具有非常优良的平坦性和几乎无应变。该材料也允许对于此类机械切削加工的高生产率。
为了能满足上述要求和同时以带材形式用价格可取方式生产最终产品，首要的是合金元素需要非常精确的最优化，并且工艺参数也需要非常精确的最优化。因为生产费用需要维持在合理水平，所以需要材料可以通过正常的(常压的)冶金过程生产获得。这就需要通过良好的控制工艺，将氮的最大含量实际限制为0.20％(重量份)。因此，氮的含量应该在0.15-0.20％(重量份)之间。硬化形式的材料的硬度基本上通过含量(碳+氮)％(重量份)测定，并且为了能不经深度冷冻处理获得大于56HRC的硬度和具有用于刀刃耐久性的碳氮化物的足够的剩余体积分数，如果存在高含量的碳化物生成元素例如铬和钼，这个总数必须大于0.55％(重量份)。这就必然导致通常碳含量大于0.40％(重量份)而且碳与氮的比率大于2。由于碳的含量相对较高，所以必须限制碳的活性从而避免在固化中形成一次碳化物，这是通过将硅的含量保持较低而实现的，例如在0.1-1.0％的数值区间，优选0.1-0.80％，最优选0.15-0.55％(重量份)。在硬化过程中，该材料在950-1150℃下奥氏体化，优选1000-1070℃，然后淬火(在冷却夹具之间适宜用油浴或通过压缩空气)至室温。为了获得大于56HRC的硬度，在大约200℃进行回火。由于在回火之前深度冷冻至-80℃，可以获得大约2HRC的额外的硬度增强。
为了在材料表面形成防腐蚀氧化膜，必须在材料中加入足够数量的铬，但是在高含量的铬的情况下，再次产生形成大一次碳化物的风险，这必须避免。因此，铬含量应该在12-15％(重量份)之间，优选13-15％，最优选14-15％。然后加入足够数量的钼，从而使PRE＞25。钼的适宜含量是2.5-4.0％(重量份)，优选2.6-4.0％，最优选2.6-3.0％。钼和氮的高用量会带来损害该材料的热加工性质的风险，为了限制该风险，其它具有类似的影响的元素应当保持在最低水平，例如铜的含量必须保持在低于0.1％(重量份)。镍和钴是昂贵的合金材料，其在正常的冶金过程中是稳定的，这就意味着随着时间的过去在基于回收钢的钢制造中它们的含量将会积聚。对于不锈钢，镍含量最大1％的限制是为了该材料不会按照欧洲指令99/45/EC被归入潜在的致癌和过敏材料中，因此按照本专利用于合金的镍含量设置该含量为最大含量。优选，材料中不用主动加入镍并且镍的含量设定为最大0.7％，从而避免否则将会带来的奥氏体稳定化处理。该合金还包含0.1-1.0％(重量份)的锰，优选0.4-0.8％，最优选0.4-0.7％，锰是稳定奥氏体的另外的元素。钴的最大含量设定为4％，一方面是由于成本，另一方面是为了避免在回收钢的加工过程中钴的过快积累，尤其是在核能工业中需要避免这样的过快积累，而这取决于不锈钢中通常被看作杂质的元素。优选，不主动在材料中加入钴并且钴的含量设定为最大0.5％，尽管该元素对马氏体形成温度具有增加的影响。因此，加入钴可以使在硬化之后由于冷却而导致的相变朝向更多马氏体的方向偏移。
考虑到今天的标准材料，可以看出满足PRE＞25同时HRC＞56要求的非常少。加上碳氮化物φ＜5μm的要求，没有标准材料可以满足。AISI 440C这类材料例如仅仅满足硬度要求。为了满足上述PRE值和碳氮化物的要求，只有奥氏体和二相合金材料(duplex material)是有效的，但是其中硬度和刀刃耐久性却是不足的。
通过参阅本领域其它的专利说明书，特别是下列提出的四个。DE-A-3901470公开了一种特别适用于刀片和刀具的材料。然而，该专利教导加压冶金，以便获得大于0.20％(重量份)的氮含量，从而使得碳的含量最大为氮含量的两倍。此外，提及两种试验合金，两者的硬度均低于600HV。该专利也教导加入低含量的钒。因此，该材料不会满足硬度和避免合金元素钒的上述要求，此外生产费用将变得非常高。按照EP-A-638658，为通过回火至高温获得强二次硬化，使用钒，这可能是一个优点，例如如果该材料要涂覆或在高温下使用。然而，按照以上所述，如果将材料蚀刻为最终形式或用于生产非常锋利的刀刃，这将是不适宜的。该专利提出碳氮化物所允许的最大尺寸为40μm，而不是按照本发明所提出的极限最大尺寸为5μm。EP-A-750687提出最大含量(碳+氮)为0.55％(重量份)，其按照本发明被判定为是获得足够硬度的最小含量。这可以通过以下事实确认，即在该欧洲专利说明书中涉及硬度的目标是HRC＞50，而获得最高硬度的试验合金达到了56.3HRC(这是在仅仅180℃回火1小时后获得的)。该有限的硬度连同小份额的剩余碳氮化物将导致对于具有高要求的刀刃应用的刀刃耐久性不足。最主要的是，该专利说明书也聚焦于具有极高耐腐蚀性要求的制品，这也是为什么要加铜的原因，因此就忽略了硬度和热加工性。就专利说明书US-A-6235237而言，其主要涉及用于滑雪板的需要高阻尼的金属雪板刃，其综合了高含量的铬，低含量的钼和低含量的氮，从而按照专利说明书中的实施例获得小于50HRC的硬度，因而对于具有高要求的刀刃应用，其具有不足的刀刃耐久性。
发明内容
因而，本发明的第一个目的是提供一种新的合金钢，其克服现有技术的所有上述缺陷。
特别是，本发明的目的是提供一种合金钢，其具有至少56HRC的硬度，具有出色的耐腐蚀性并可以通过光刻加工。
以一种令本领域技术人员意外的方法，成功达成了这些和额外的目的，即提供按照下列成分的合金钢(％重量份)C 0.40-0.60Si 0.1-1.0Mn 0.3-1.0Cr 12-15Mo 2.5-4.0
Ni 0-1.0Co 0-4.0N0.15-0.20未经深度冷冻而达到了硬度＞56HRC，同时PRE＞25，PRE由PRE＝％Cr+3.3·％Mo+16·％N定义。结果获得铁和由于原料和/或制造过程正常出现的杂质为余量的100％的合金钢。优选，考虑碳化物、氮化物和碳氮化物的最大尺寸φ＜5μm，以便减少与刀刃相关的问题的风险，并能够在奥氏体化期间溶解碳化物、氮化物和碳氮化物。
优选，按照本发明的合金钢具有下列成分(重量份％)C 0.42-0.60Si0.15-0.80Mn0.4-0.8Cr13-15Mo2.6-4.0Ni0-0.7Co0-0.5N 0.15-0.20还有余量的Fe和正常出现的杂质。
更为优选的是，按照本发明的合金钢具有下列成分(重量份％)C 0.42-0.50Si0.15-0.55Mn0.4-0.7Cr14-15Mo2.6-3.0Ni0-0.7Co0-0.5
N 0.15-0.20还有余量的Fe和正常出现的杂质。
按照本公开制造的材料特别适合于这样的应用，例如食品工业中的具有高要求的刀具，其要求高硬度和刀刃耐久性并同时具有高耐腐蚀性，而该腐蚀性是由于包含氯离子的环境和腐蚀性洗涤剂而带来的。其它领域是用于干湿剃须的刀刃，外科的刀刃应用和潜水刀。应用该新材料的其它领域，例如是印刷工业中的刮墨刀片和纸浆工业中的刮刀刀片(亦称涂布机刀片)和起绉刀片。
制造该材料的方法的选择尤其取决于所需的材料体积，最大允许生产成本和炉渣纯净度要求。客户需要，例如分别地硬化与回火，和冷轧，抛光，自然也具有一定的影响。然而，该制造将总是包括在标准大气压力(1个大气压＝1巴)下的冶金过程。冶金过程包括在电弧炉或高频感应炉内的熔化。既可以通过合金材料的选择也可以通过以AOD或CLU或另外的精炼法去碳来调整碳的含量。既可以通过以气体形式供应也可以通过利用含氮合金材料来调整氮的含量。替代的，该材料可以在二次冶金过程(例如VIM，VAR，ESR等)中重熔。铸造可以是浇铸为锭或连续铸造，然后热加工直至变成带材形式。热加工之后，对材料进行球化处理，然后进行多级冷轧形成所需厚度，在多级冷轧中还包括中间再结晶退火操作。根据顾客的需要，硬化与回火再传送抛光，该硬化以奥氏体化的形式并在保护气体中在连续带材加工中进行，淬火(用于相变为马氏体)，及最后回火至所需的硬度。然后该材料按照顾客需求切割为所需宽度或切割为所需二维长度。最终产品可以通过任何常规方法生产；例如，从硬化的带材通过光刻和成形(forming)，或从冷轧带材通过冲压/切割、成形、硬化、回火和最后研磨。以线、管或锭的形式出售该材料也是可能的。
图1阐明了关于硬度/刀刃耐久性和耐腐蚀性的三个对比例之间的概要。
图2阐明了合金1和两个对比例的CPP试验的结果。
图3阐明了对于合金1和三个对比例而言回火温度与硬度之间的关系。
图4阐明了对于合金1和两个对比例而言的CPP耐腐蚀性与硬度。
图5显示了按照本公开的合金1的显微照片，该照片阐明了该组合物的微观结构。
图6显示对比例的显微照片，该照片阐明对比例组合物的微观结构。
图7阐明了合金1和两个对比例之间有关硬度等级和结构的比较。
具体实施例方式
实施例1本发明公开的材料(合金1)的熔体，已经用CLU冶金以10吨级规模生产。
将该材料铸造为锭，热轧，其后再进行冷轧以及中间退火，直至达到用于评估的适宜厚度。本发明的熔体具有表1所指明的合金1的成分。按照本公开的材料用三个等级进行比较对比例1-3。对比例1-3的公称成分也在表1中给出。
表1.试验熔体的化学成分(重量份％)和对比例1-3的公称成分(重量份％)。
对比例之间的概要在图1中阐明，其显示了硬度和耐腐蚀性之间关系以及合金元素C，N，Cr和Mo的影响。
表2.按照ISO 8442.1和ISO 8442.5的试验的结果。
为评估按照本公开的材料的耐腐蚀性和切削能力，生产了六把刀片并且按照ISO 8442.1和ISO 8442.5评估。三把刀片(A-C)由来自合金1的材料制造，在1055℃硬化，深度冷冻，并在275℃回火，从而达到58至58.5HRC间的硬度。三把刀片(D-F)由按照对比例1的成分制造，在1080℃硬化，深度冷冻，并在230℃回火，从而达到58至585HRC间的硬度。所有的刀刃用相同的设备进行研磨和精加工从而获得彼此相当的刀刃和光洁度。试验结果在在表2中显示。
按照ISO 8442.1的耐腐蚀试验显示按照本公开的材料试验合格，然而对比例1试验不合格。按照ISO 8442.5的刀刃试验的结果，该新材料和对比例1的材料都处在非常近似的水平。
实施例2本公开的材料的腐蚀性能也是通过阳极极化/临界点蚀电位(CPP)测定，并与对比例1和对比例2进行比较。样品分别取自合金1和对比例1和对比例2，表1给出了它们的所有成分。按照对每种合金的建议，合金1的样品在1035℃硬化，对比例1的样品在1080℃硬化，以及对比例2的样品在1030℃硬化，所有均在225℃回火。样品的所有表面用约600号砂(600grit)湿磨。试验溶液是0.1％NaCl，试验在20℃进行，施加在样品上的电压由-600mV开始每分钟增加75mV。氮气经由溶液起泡，从而减少含氧量。用于点蚀开始的标准设定为I＞10uA/cm2。试验结果在图2中显示。
实施例3对合金1的材料进行硬化试验并与对比例1、对比例2和对比例3的典型数据进行比较。合金1的硬化在1035℃进行，并在20℃淬火，但是也可以在1055℃进行并结合-70℃的深冷。图3显示了回火30分钟后回火温度与硬度的关系。
可以发现，对于在175-450℃范围内所有正常的回火温度，合金1具有比对比例1和对比例2更高的硬度。对于225℃以上的回火温度，合金1的硬度也比对比例3高，这是由于合金1中钼和氮的高合金含量所带来的改善的回火稳定性，钼和氮使其对高温不易敏感。合金1改善的回火稳定性的优点例如对于涉及通过PVD或用PTFE表面涂覆的产品是非常有益的。
实施例4在图4中，合金1与对比例1和对比例2就耐腐蚀性和硬度进行了比较。所有的样品在225℃回火和如上所述进行热处理。所需要的是合金组合物除了高硬度外还具有高耐腐蚀性。这可以通过图4的箭头阐明，其显示了所需的特性方向。容易发现，本发明的合金1与对比例1相比具有改善的硬度，并与对比例2相比同时还具有改善的耐腐蚀性。
对于退火状态中的合金1材料的典型显微结构是铁素体基体具有均匀分布的二次碳化物、氮化物和碳氮化物。此外，合金1的微观结构不存在直径大于5μm的一次碳化物、氮化物或碳氮化物。合金1的典型结构如图5所示，其中显微照片是在横向剖面抛光和蚀刻之后在光学显微镜下放大1000倍拍摄。蚀刻用4％苦味酸并加入少量盐酸进行的。碳化物、氮化物和/或碳氮化物的平均直径估算大约为0.4μm。
对于刀刃应用，其中非常锋利的刀刃通过机械方法或者也通过蚀刻方法制造，不含直径大于5μm的一次碳化物的上述结构是必须的，由此可以避免刀刃上的撕裂或蚀刻缺陷。作为比较，在相同条件下拍摄的显微照片显示对比例3的典型结构，该显微照片如图6所示。
在图7中比较了本发明的合金1以及对比例1和对比例3的硬度等级和结构。
实施例5因为钢的性质高度取决于硬化条件，由基本化学成分所获得的估计可能是误导。使用软件ThermoCalc进行在预定的适宜硬化温度下的平衡计算是一种更精确地计算最终特性的方法，并且已经计算了合金2-6，合金1，和对比例1-3。合金2-6的成分是在表3中给出并且计算结果显示在表4中。
所用的数据库是TCFE3。已经选定最佳的硬化温度并且用于不同等级的模型中。从奥氏体相组合物在硬化温度下获得PRE，Ms的数值并计算间隙氮和碳的重量百分数。还计算了与奥氏体相平衡的M23C6碳化物的相百分数，其对于磨损和刀刃耐久性是一个重要因素。对于PRE，使用前述等式。Ms使用安德鲁公式(Andrew′s formula)计算，如下所示Ms＝539-423*C-30.4*Mn-12.1*Cr-17.7*Ni-7.5*Mo+(-423*N-7.5*Si+10*Co)表3.合金2-6的成分(重量份％)
合金1和对比例1的比较显示，按照本发明的钢显著具有更高的PRE值，但是同时具有类似的节间密度(interstitial content)和碳化物相数量，这将导致具有同样的硬度和刀刃性能但是又显著地增加耐腐蚀性的钢。对比例2在PRE方面更接近合金1，但是其基体内间隙量较低，以及碳化物相的数量较低，这预示了较低的硬度和劣等的刀刃特性。这些数据对应在上述实施例中的实际测量值。对于合金1，其Ms温度比对比例2和对比例1两者都低，但是在与对比例3相同的范围内，该对比例3具有公知的优良硬化性，然而其中碳化物含量显著过高导致如图6所示的粗糙微观结构。
表4.Thermo-Calc计算的结果。
合金2-6是按照本公开的组合物的其它可能的实施方式，尽管其化学成分差异小但是导致不同的特性。合金2和4具有类似的PRE值、节间密度和Ms，这将导致相似的耐腐蚀性、硬度和硬化性，但是在合金4中具有两倍数量的M23C6，从而在该等级内刀刃耐久性更高。在合金3的基体中具有最高数量的间隙，因而获得所期望的最高硬度，其由于加入钴而仍然具有足够的硬化性。相对于合金6，合金5具有甚至更高数量的钴，这甚至将进一步改善硬化性而不会剧烈地改变其它特性。
权利要求
1.合金钢，其特征在于具有下列成分(重量份％)C 0.40-0.60Si 0.1-1.0Mn 0.3-1.0Cr 12-15Mo 2.5-4.0Ni 0-1.0Co 0-4.0N 0.15-0.20还有余量的Fe和正常产生的杂质，硬度＞56HRC，其能够通过硬化而不经深度冷冻来获得，以及PRE＞25，并定义PRE＝％Cr+3.3·％Mo+16·％N。
2.按照权利要求1的合金钢，其中C含量为0.42％-0.60％，优选0.42％-0.50％，以重量份计算。
3.按照权利要求1或2的合金钢，其中Si含量为0.15％-0.80％，优选0.15％-0.55％，以重量份计算。
4.按照权利要求1-3中任何一项的合金钢，其中Mn含量为0.4％-0.8％，优选0.4％-0.7％，以重量份计算。
5.按照前述任何一项权利要求的合金钢，其中Cr含量为13％-15％，优选14％-15％，以重量份计算
6.按照前述任何一项权利要求的合金钢，其中Mo含量为2.6％-4.0％，优选2.6％-3.0％，以重量份计算。
7.按照前述任何一项权利要求的合金钢，该合金钢包含碳化物、氮化物和/或碳氮化物，其中碳化物、氮化物和/或碳氮化物的最大直径不超过5μm。
8.刀具，例如适用于食品工业的刀具、雕刻刀等，其特征在于包含按照权利要求1-7中任何一项的合金钢。
9.用于干或湿剃须的刀刃，其特征在于包含按照权利要求1-7中任何一项的合金钢。
10.用于外科应用的切削刀具，例如解剖刀，其特征在于包含按照权利要求1-7中任何一项的合金钢。
11.刮刀刀片或起绉刀片，其特征在于包含按照权利要求1-7中任何一项的合金钢。
全文摘要
本发明涉及一种合金钢，其具有下列成分(重量份％)C 0.40－0.60，Si 0.1－1.0，Mn 0.3－1.0，Cr 12－15，Mo 2.5－4.0，Ni 0－1.0，Co 0－4.0，N 0.15－0.20，还有余量的Fe和正常产生的杂质，硬度＞56HRC，其能够不经深度冷冻而获得，以及PRE＞25，并定义PRE＝％Cr+3.3·％Mo+16·％N。此外，合金钢包含碳化物、氮化物和/或碳氮化物，这些碳化物、氮化物和/或碳氮化物的最大直径不超过5μm。这种合金钢产生出人意料好的适用性，其适合用于作为多种切割操作的刀刃材料。
文档编号C22C38/30GK1918315SQ200580004712
公开日2007年2月21日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年3月26日
发明者约纳什·尼尔森, 安德烈亚斯·罗斯贝里 申请人:山特维克知识产权股份有限公司