钢材、其用途及其制造方法

专利名称：钢材、其用途及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有新的化学组成及显微组织的钢材产品。本发明还涉及钢材的制造及其用途。
背景技术：
对用于制造冷加工工具的材料，就韧性和耐磨性来说提出了高要求。通常这是确实的，例如，用于金属板或片的切割、冲孔、弯曲和深拉的工具；用于压制金属粉的工具；以及冷轧辊。现在用于冷轧辊的钢，例如，钢带的冷轧辊，一般标准组成是0.73C、1.0Si、0.6Mn、5.25Gr、1.10Mo、0.50V、平衡量铁和不可避免的杂质。用这种材料制成的辊，当该辊淬透时，在使用的条件下具有硬度为58～60HRC。用这种材料的问题是，在材料淬透的条件下，该材料有断裂的倾向，从而引起总体破坏。而且，耐磨性也不十分满意。另一方面，粉末治金制造的钢，其含有高含量的钒，可以满足所涉及的韧性及耐磨性的高要求，但是昂贵。一般情况是设计用复合材料制造冷轧辊，其中，耐磨性的外面材料通常是由高级合金钢制成，通过浇注或任何其他方式，与较韧性材料制成的芯相结合，该韧性材料一般是较少加入合金成分。这样，可以得到具有良好的耐磨性和韧性的轧辊。其中某些缺点是制造成本昂贵。因此，仍然对材料有一个要求，即不需要粉末治金制造或复杂的技术，但仍然能满足对冷加工钢的要求，其中包括韧性和耐磨性。
发明简述本发明的目的是致力于解决上述问题并提供一种新的可用于冷加工工具，特别是用于冷轧辊的钢材，并且该钢材具有满意的韧度，淬透性和耐磨性。首先，本发明的目的是提供一种用于整体加工轧辊的材料，及/或用于钢带冷轧的承重辊。这里的“整体”，意指辊不是由复合材料构成的。本发明的这个目的和其他目的的可通过作为本发明特征的化学组成和作为本发明又一特征的显微组织相结合而达到的。
本发明的钢的化学组成和显微组织在所附的权利要求中作了说明，并在下面将更详细说明。如不另外说明，均指重量％而言。
本发明钢产品的组织具有的硬度，在软退火条件下为约250HB，而在强淬火条件下为30～50HRC，并且含有5～12％(体积)的MC-碳化物的显微组织中，至少是约50％(体积)，优选的是至少约80％(体积)的尺寸大于3μm但小于25μm，优选的小于20μm。优选的是至少90％(体积)的MC型沉积的碳化物的大小是大于3μm但小于25μm，优选的是小于20μm。该材料适于与工具制造有关的切削型加工。除了用作成品，即工具，例如具有表面硬度达60～67HRC的辊，这种硬度是通过淬透或感应淬火后进行回火而达到的，其中，淬火和回火材料中显微组织是由含有5～12％(体积)MC碳化物的回火的马氏体构成的，其中至少50％(体积)，优选的是至少约80％(体积)的尺寸大于3μm，但小于25μm，优选是小于20μm。在这种情况下，优选的还可以是，至少约90％(体积)MC碳化物的尺寸是大于3μm但小于25μm，优选的是小于20μm。在回火前，马氏体含有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个方向的碳化物颗粒的最长延伸。
为了达到所述碳化物在钢基体中的分散，众所周知的许多技术可用于生产制造钢产品的钢锭。首先，推荐所谓喷射成型技术，它也是周知的称为OSPREY法，按照该法，钢锭连续地围绕其纵轴旋转，其中，熔化的金属以液滴形式对着连续制造的钢锭的生长端进行喷射，一旦它们碰撞基体表面，引起液滴快速固化，然而，它不像粉末制造那样快，也不像常规的钢锭制造或连续铸造那样慢。可能应用的另一技术是ESR再熔化法(电渣再熔化法)，它首先用于制造大尺寸的产品，即具有直径350mm至600mm的产品。
钢中涉及的各种合金元素，在下描述。
一方面，钢中的碳要足量以和钒以及可能存在的铌一起形成5～12％(体积)MC碳化物，其中M基本上是钒，以及，另一方面，在钢基体的固体溶液中，碳量达到0.50～0.70％(重量)。合适的是，溶解在钢基体中的碳的含量为约0.60％。钢中的碳总量，即溶解在钢基体中的量加上结合在碳化物中的量，至少是1.0％，优选的是至少1.1％，而碳的最大含量是达1.9％，优选的是最大达到1.7％。
按照本发明的第一优选实施方案，钢含有1.4～1.7C，优选1.45～1.65C，额定约1.5C，与3～4.5V一起，最好是3.4～4.0V，额定的是约3.7，以提供MC-碳化物总量达8～12，优选是9～11％(体积)的MC碳化物，其中，钒可部分地被两倍量的铌所取代。
按照第二优选实施方案，钢含有1.1～1.3C，额定的是1.2C，与2.0～3.0V一起，额定的是约2.3V，以提供MC-碳化物总量达到5～7％(体积)，优选的是约6％(体积)MC-碳化物，其中，钒部分地可被双倍量铌取代。
按照所有的实施方案，在回火前，淬火的马氏体钢基体含有0.50～0.70％C。
硅，可部分地被铝取代，并与可能存在的铝一起，其总量达到0.5～2.0％，优选为0.7～1.5％，适宜地量是0.8～1.2％，或额定量为约1.0％，以便增加钢中碳的活性，因此，有助于达到钢的适当硬度，而不引起脆性问题，这是因为在高含量硅时，分解硬化。然而，铝的含量必须不超过1.0％。优选的是，钢中含有最大不超过0.1％的Al。
钢中的锰、铬和钼应含有足够的量，以使钢有足够的淬透性。锰通过形成硫化锰而具有结合钢中存在的少量的残余量硫的作用。因此，锰的存在量应是0.1～1.5％，优选地，其量至少是0.2％。最合适的量是处于0.3～1.1％的范围内，最适宜的是0.4～0.8％。锰的额定含量是约0.6％。
通过深达35mm以上的感应淬火以及淬透，能使本发明的钢产品变硬。
铬，它能大大促进淬透性，因此，在钢中与锰和钼一起存在，以使钢具有适于采用的淬透性。这方面的淬透性，意指淬火以或多或少的深度穿透要淬火物体的能力。甚至在物体体积相当大的情况下，淬透性对要穿透淬火的物体将是足够的而在淬火操作中不需要在油中或水中非常快地冷却因为它引起尺寸变化，以及，在物体剖面提供硬度60～64HRC，一般地为62～64HRC。如果物体是感应淬火，可能达到更高的硬度，约为65～67HRC，而且，就涉及的感应淬火物体来说，表面层硬度一般是62～64HRC。当钢中锰和钼含量在上述范围时，为了使所希望的淬透性达到某个值，铬的含量至少为4.0％，优选是至少4.4％。同时，铬必须不超过5.5％，优选的是其量最大达到5.2％以使在钢中不能形成不希望有的碳化铬。
钢中存在的钒量至少为2.0％，最大为4.5％，以便与碳一起在钢的强韧性的马氏体基体中形成所述的MC-碳化物。如上所述，按照本发明的第一优选实施方案，钢中含有3～4.5V，优选是含3.4～4.0V，额定约3.7V，它与适当量的碳一起，以便提供在淬火与回火条件下的MC-碳化物总量达到8～12％(体积)，优选地是9～11％(体积)。按照上述第二设想的实施方案，钢中含2.0～3.0V，一般为约2～3V，它与上述碳量一起，以便提供MC碳化物总量达到5～7％(体积)，优选地是约6％(体积)。原则上，钒可被铌取代，但与钒相比，需要2倍的铌这是缺点。此外，铌能使碳化物变成更尖锐的形状，以及，它们也可变成比纯碳化钒更大，该纯碳化钒可引发裂口或造成碎片，从而降低材料的的韧度。因此，铌的含量必须不超过最大值1.0％，优选不超过最大值0.5％。最有利的是，钢中应该不含任何故意添加的铌，因此，钢的最优选的实施方案不容许铌大于来自钢生产中所用原料的以残留元素形式存在的杂质量。
钼的含量至少是2.5％，以使钢具有所希望的淬透性，虽然表征钢的特有特征的锰和铬是受限制的量。优选地是，钢中应含有至少2.8％的Mo，一般的是至少3.0％的Mo。最大地是，钢中可以含有4.0％的Mo，优选的最大值是3.8，合适的最大值是3.6％的Mo，以便通过消耗所希望的MC-碳化物量来使钢中不含有所不希望的M6C-碳化物。原则上，钼可以全部地或部分地被钨取代，但要求钨量2倍于钼，这是缺点的钼。废钢处理也将更困难。因此，钨的存在量不应比最大值1.0％高，优选的最大值为0.5％。最便利的是，钢中不含有任何故意添加的钨，在最优选的实施方案中，不容许钨的含量大于来自钢生产时所用的原材料的以残留元素形态存在的杂质量。
除上述合金元素外，钢中不需要也不应该含有有效量的任何更多的合金元素。某些元素是明确地不需要的，因为它们对钢的性质有不良影响。例如，磷要保持尽量地低，以便它不能削弱钢的强度。还有，硫是不希望的元素，但它对韧度的负影响，基本上可借助锰来中和，它形成基本上是无害的硫化锰。因此，硫被容许的最大含量是0.2％，优选地最大值为0.05％，以及，适宜的最大值为0.02％。其他元素，例如镍、铜、钴和其他元素，可以相当于钢生产所用的原料中以残留元素形态存在的杂质量。在钢中，氮是作为一种不可避免的杂质存在的，但不作为故意添加的元素存在。
从下面实施的实验的叙述和从所附的权利要求可进一步了解本发明特有的特征和状态。
附图的简要说明在下面实施的试验叙述中，可参考附图，其中

图1是说明回火温度对所试钢件的硬度的影响图。
图2是以放大尺寸表示具有最高硬度值的那些钢，在图1中的回火曲线的峰区域。
图3是表示所试钢材的韧度与冲击能关系的柱状图。
图4是表示所试钢的抗磨耗性的柱状图。
图5是表示用无凹口样品进行冲击试验所测得的延展性与所试钢的耐磨性的关系图。
图6是表示本发明钢材的所研究材料剖面的显微组织图。
进行试验的说明制造8种50kg实验室用热料。钢的组成示于表1，其中合金元素用重量％表示，而碳化物含量用体积％表示，该热料被锻造成大小为60×60mm的棒状。
表1试验合金的组成，重量％

*熔于回火的马氏体基体中的碳含量计算值在表1中，1～4号钢是参考材料，而5～8号钢具有本发明的组成。更详细地说，5、6和7号钢是按照所述钢的第一优选实施方案的组合物实例，而8号钢是所述本发明钢的第二设想的实施方案的实例。在所制成的实验合金根据以下进行测量。
-软退火后的硬度(HB)-热处理后的显微组织；TA＝1030℃/30min/空气+525℃/2×2h-在TA＝1030℃/30min/空气+525℃/2×2h进行奥氏体化以后的硬度-在200℃、300℃、400℃、500℃、525℃、600℃/2×2h，TA＝1030℃/30min/空气进行回火后的硬度-淬透性-抗磨耗性-韧度软退火韧度1号和4～8号钢合金的软退火韧度示于表2。由于合金中的碳化物和钒含量，硬度被看作是正常的。
表2软退火硬度

显微组织包括在980～1030℃/30min进行奥氏体化+在500～525℃/2×2h进行淬火的热处理后，用光-光学显微镜研究通过Thermo-Calc的各种合金变量的计算来测定显微组织。碳化物量随着铬和钒含量的上升而增加。4号、7号钢的碳化物相具有最大的量，见表1。硬度与回火温度的关系回火温度对所测钢的硬度影响示于图1和图2，该钢是在许多不同的奥氏体化温度下进行了奥氏体化。就本发明涉及的所有钢种来说，在1030℃/30min进行奥氏体化和在525～550℃/2×2h进行回火后，通过良好的范围，达到回火后至少60HRC的硬度要求。淬透性通过比较膨胀计测量结果来测定钢的淬透性。测得的硬度值列于表3。
表3膨胀计试验测得的硬度

与1号钢相比，其他合金具有改进的淬透性。特别是具有较高钼含量的6号钢，它具有改进的淬透性。韧度采用所试钢的无凹口试验样品，于室温下的冲击试验结果示于图3。其韧度随着碳化物含量的增加而降低。然而，特别是8号钢，与具有56.5 HRC硬度的1号钢相比，鉴于其硬度高达62HRC的事实，其具有非常好的韧度。磨耗性用SiO2作为研磨剂，通过钉到盘(pin-to-disc)试验来测定磨耗性。随着钒含量的增加，耐磨性强烈增加，如图4所示。讨论-性能分布表1示出许多不同的奥氏体化温度下的碳含量、MC(碳化钒)、M3C(渗碳体)和总碳化物含量，这里的平衡证明不同合金的存在。
图5表明用无凹口试样通过冲击试验而测得的延展性，和用测试合金的SiO2的钉到盘试验的耐磨性之间的关系。
根据由上述实验导出的试验，可以证实本发明钢的二个上述实施方案的额定组成应具有表4的组分，其中，化学组分用重量％表示，在淬火和回火条件下的碳化物含量用体积％表示，而平衡的铁和不可避免的杂质包括在上述量中。C意指溶解在马氏体中的碳量。
表4设想的额定组成，重量％；体积％

根据实验室规模生产的材料的研究实验，通过喷射成型技术制造两种真实大小的热料。每种热料重2300kg，直径500mm。钢的化学组成示于表5。
表5通过喷射成型生产的材料的化学组成，重量％

把这些钢热料于1130℃锻造成最终尺寸为250mm的柱状物。从这些柱状物制取试样，测其显微组织。这些研究表明，与柱状物表面邻接的碳化物比柱状物中心部位的要小，这是钢热料冷却速率的自然结果。在表面上，大多数碳化物小于3μm，但是，通过取自柱状物截面不同深度的许多样品研究，发现满足要求的柱状物的主要部分的大小的体积至少为50％(体积)，以及，事实上，在柱状物加热处理前以及在淬火和回火后，至少80％(体积)的碳化物的尺寸处于3～25μm范围内，一般处在3～20μm范围内。
图6表示样品淬火和回火前的显微组织，该样品是从126号钢热料制成的柱状物中心处取样。
权利要求
1.一种钢材，其特征在于，它含有一种具有下列化学组成的钢(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；平衡量铁和来自钢生产的以残留元素形式存在的通常量杂质；它具有一种显微组织，在钢淬火和回火的条件下，该显微组织含有5～12％(体积)的MC碳化物，该碳化物至少50％(体积)，优选是至少约80％(体积)，其尺寸是大于3μm但小于25μm，优选小于20μm，以及，在回火前，在钢的淬火条件下的马氏体中溶解有0.50～0.70％(重量)的碳。
2.按照权利要求1的钢材，其特征在于，它含有1.35～1.7C和3.0～4.5V。
3.按照权利要求2的钢材，其特征在于，它含有1.40～1.65C，合适的是至少1.45C，和3.4～4.0V，以及MC-碳化物总含量达到8～12，优选是达到9～11％(体积)。
4.按照权利要求1的钢材，其特征在于，其含有1.1～1.3C和2.0～3.0V，以提供MC-碳化物总量达到5～7％(体积)。
5.按照权利要求1～4中任一的钢材，其特征在于，钢含有0.7～1.5，合适地是含有0.8～1.2％的Si。
6.按照权利要求1～5中任一的钢材，其特征在于，硅可部分地被铝取代，然而，钢中不含有大于1.0的铝，优选地是铝的最大值为0.1％。
7.按照权利要求1～6中任一的钢材，其特征在于，钢含有至少0.2％的Mn，优选地是0.3～1.1Mn，合适地是0.4～0.8Mn。
8.按照权利要求1～7中任一的钢材，其特征在于，它含有4.4～5.2％的Cr。
9.按照权利要求1～8中任一的钢材，其特征在于，钢含有2.5～3.6的Mo，优选地是2.75～3.25％的Mo。
10.按照权利要求1～9中任一的钢材的用途，其用于制造冷加工工具。
11.按照权利要求10的用途，其用于制造金属带冷轧用的均质辊。
12.一种用于生产钢产品的方法，其特征在于，按照权利要求1～9中的任一项，制造具有一种化学组成(重量％)的钢熔体；通常的钢锭浇注或连续浇注或通过喷射成型法从该钢熔体制造钢锭；通过塑性加工及/或机械加工，把该钢锭加工成所希望的最终形状；把所得到的产品通过1000～1100℃的奥氏体化进行热处理和500～600℃的回火，以完成基体，该基体含有回火的马氏体，并，在该基体中有，5～12(体积)的MC-碳化物，至少50体积％优选是至少约80％(体积)的碳化物，其大小为大于3μm但小于25μm，优选地是小于20μm。
13.一种钢产品，其特征在于，它是按照权利要求12的方法制造的，以及，钢的基体含有8～12，优选地是9～11％(体积)的MC-碳化物，以及淬火后的马氏体含有0.50～0.70％(重量)溶解的碳。
14.一种钢产品，其特征在于，它是按照权利要求12的方法制造的，并在淬火后，钢基体由马氏体构成，该马氏体含有5～7％(体积)的MC-碳化物和0.50～0.70％(重量)溶解的碳。
全文摘要
本发明涉及一种钢材,该钢材由具有下列化学组成(重量%)的钢所构成:1.0～1.9C、0.5～2.0Si、0.1～1.5Mn、4.0～5.5Cr、2.5～4.0(Mo+W/2),而最大值为1.0W、2.0～4.5(V+Nb/2),而最大值为1.0Nb,平衡量铁和来自钢生产以残留元素形式存在的规定量的杂质;其具有一种显微组织,其中,在钢淬火和回火条件下,含有5～12%(体积)的MC－碳化物,至少约80%(体积)的碳化物的大小为大于3μm但小于25μm,优选是小于20μm,以及,在回火前,在钢的淬火条件下溶于马氏体中的碳为0.50～0.70%(重量)。该材料可用作冷加工工具,首先用于金属带冷轧用的均质辊。
文档编号C22C38/36GK1378605SQ0081388
公开日2002年11月6日 申请日期2000年9月27日 优先权日1999年10月5日
发明者奥德·桑德伯格, 博·赖德尔 申请人:尤迪霍尔姆工具公司