钢制品 【技术领域】
本发明是关于一种钢制品，具有良好抗磨性、良好的淬透性和耐回火性，和足够的硬度、和良好的韧性，不仅在钢材料的纵向，即它的加工方向上，而且在其横向上，并从费用观点也是适宜的，这些特性使得该钢适于用在几个应用领域内，包括如下：
·元件，例如在机器中用于供料和传输塑料物质的螺旋杆和桶，用于制造塑料组件，如在注模和挤压装置中的部件，
·用于注模塑料的模具和工具，
·耐磨部件，例如，在用于供耐磨介质的泵中的零件，以及机器中其他耐磨件，
·用于剥离如塑料和木材的具有良好韧性的刀，也包括修整用刀，
·热加工工具，
·用于去除可以是热加工或冷加的铸件或挤压制品毛剌的修整工具，和
·用于包括轧制机中的组合辊的轴套。
发明的背景
对于某些上面提到的应用领域，当前使用的是一种普通类型的钢AISD2，而且是粉末冶金制地高速钢和具有高碳化物含量的冷加工钢。
然而，需要一种优质钢，这种钢不要求粉末冶金制造，而可以以这样一种方式制造，即，对钢和对由钢加工的制品提供某些要求特征，同时，从经济观点考虑，制造应是大为有利的。更具体地，需要这样一种钢，该钢能提供优良的耐磨性，良好的淬透性、好的延展性和机加工性、足够的硬度和良好的耐回火性，这些特性使该钢适于在上述应用领域中的制品。
发明公开
本发明的目的是提供一种能满足上述要求的钢制品。制品由具有所附权利要求中提出的重量％的化学组成和显微结构的喷射成形钢材料制得，就可达到此目的。
进而，就钢中涉及到的合金元素，有如下用途。
碳是以足量存在于钢中，以在钢的硬化和回火条件下，形成8-15体积％，优选10-14.5体积％的MC-碳化物，其中M主要是钒，并在钢的硬化条件下以固体溶液存在于钢的马氏体基质中，其量为0.1-0.5重量％，优选为0.15-0.35重量％。在钢基质中溶解碳的含量为约0.25％时比较适宜。钢中碳的总量，即，溶解在钢基质中的碳加上以碳化物形式的结合的碳，至少为1.2％，优选至少1.3，而碳的最大含量可达到2.0％，优选最大1.9％，适宜的碳含量为1.4-1.8％，标称为1.60-1.70％。
根据本发明制品是由一种技术制造，该技术包括喷射成形，其中，将熔融金属滴对旋转基质进行喷射，在其上面熔滴迅速凝固，以形成连续增长的铸块。随后将铸块通过煅造和/或轧制的热加工成为所要求的形状。在熔滴凝固时形成所述碳化物，当熔滴形成铸块时，碳化物均匀地分布在铸块中，并由此成为最终产品。由于控制凝固的速率，比通过雾化熔融金属流并快速冷却所形成的熔滴而生产金属粉末时要慢，但基本上比以通常的铸块制造，连续铸造和/或ESR-再熔要快得多，碳化物有足够的时间以增长到对制造本发明制品非常有利的尺寸。因此，主要由难以溶解的碳化物组成的MC-碳化物会导致获得基本是圆状的形状。个别碳化物可以大于最长延伸度的20μm，也有许多碳化物可小于1μm，但是，至少有80体积％的MC-碳化物，其碳化物最长延伸度的尺寸可达到1-20μm，优选大于3μm。一般的尺寸为6-8μm。
氮可任选地加入到有关喷射成形的钢中，其最大量为0.20％。然而根据本发明的优选实施方案，氮并不是有意添加到钢中，尽管如此，仍以不可避免的元素存在，其量最大为0.15％，通常最大为0.12％，并按此水平并不是有害成分。在以上提到的MC-碳化物的容积含量中，也包括极小份额的碳氮化物。
硅是以钢制造时的残余物形式存在，通常存在量至少0.1％，有可能至少为0.2％。硅可增加钢中的碳活性，并因此可对钢获得足够的硬度作出贡献。如果含量过高，会产生脆化问题。进而，硅是一种强的铁氧体形成物，并因此，其存在量不能超过1.5％。优选是钢不含有大于1.0％的硅，硅适宜的最大量为0.65％，标称硅含量为0.35％。
锰也是一种作为制造钢时的残渣存在的，与钢中以很低量存在的那些硫相结合，形成硫化锰。因此，锰的存在量至少为0.1％，优选量至少为0.2％。锰也能改进淬透性，它是有益的，但是其存在量不可超过2.0％，以避免脆化问题的产生。优选是钢不含有大于最大的1.0％的Mn，标称锰含量为0.5％。
存在的铬含量，至少为4％，优选至少为4.2％，适宜量至少为4.5％，以便对钢提供所要求的淬透性。术语淬透性的意思是在被硬化的制品中，以不同程度的深度提供高硬度的能力。当制品具有很大的尺寸时，制品能够完全硬化而获得足够的淬透性，而不需要在硬化作业中使用在油或水中的迅速冷却，这种硬化作业会引起尺寸变化。加工硬度，即，硬化和回火后钢的硬度应为45-60HRC。然而铬是一种强的铁氧体形成物。为了避免980-1150℃硬化后钢中呈现铁氧体，铬含量不可超过8％，优选最大为6.5％，适宜最大量为5.5％，适宜的铬含量为5.0％。
钒在钢中的存在量为5.0-8.0％，以便与碳，并任选地还有氮，一起在钢的硬化和回火条件下，在钢的马氏体基质中，形成所述MC-碳化物或碳氮化物。优选地，钢中至少含有6.0％，最大含有7.8％的V，适宜的钒含量6.8-7.6％，标称为7.3％。
原则上，钒可以由铌代替以形成MC-碳化物，但是对此，与钒相比，需要2倍那么多量的铌，这是一个缺点。进而，铌具有这样的作用，可使碳化物得到比纯碳化钒更锋利的形状并更大，这可能引起破裂或形成碎屑，并因此降低了材料的韧性。这在本发明的钢中尤为严重，就材料的机加工特性而言，为了提供组合高硬度和耐回火性的良好的耐磨性，对其组合成分必须最优化。因此，根据本发明的一个方面，钢不能含有大于最大0.1％的铌，最好是最大为0.04％的铌。进而根据本发明的同一个方面，可允许铌，仅以由有关钢制造所用的原材料所带入的，以残留元素的形式作为不可避免的杂质而存在。
然而，根据本发明的一种变化形式，钢中可以含有铌，其量最大可达1.0％，优选是最大0.5％，适宜的最大量为0.3％。即，可以假设，通过钢中的高含量钒可抑制铌的有害作用。这种想法是基于这样一种假设，即纯的碳化铌和/或碳氮化铌在钢中几乎不会出现。实际上碳化铌和/或碳氮化铌可在钢中开始时形成，但是可以认为碳化钒和/或碳氮化钒可达到这样一种程度，即一开始形成的有害作用的碳化铌和/或碳氮化铌，由于纯的碳化铌和/或碳氮化铌的更锋利形状而基本消除。如果以钒、铌和碳的混合化合物的形式，以及相应的混合碳氮化物的形式，形成MC-碳化物可使用同样的见解，因此，在两种情况下，认为铌的含量如此的小，根据本发明的变化形式，钒的负作用可以忽略。
钼的存在量至少为0.5％，优选是至少1.5％，以便与铬和有限量的锰相结合，向钢提供所需要的淬透性。然而，钼是一种强的铁氧体形成物。因此，钢不可含有大于3.5％的Mo，优选是最大为2.8％，标称的钢含有2.3％的Mo。
原则上，钼可以全部或部分由钨取代，对此，与钼相比，要求2倍那么多的钨，这是一个缺点。利用任何产生的碎屑变得更加困难。因此，钨的存在量最大不应大于最大的1.0％，优选最大量为0.5％。最方便的是，钢不应含有任何有意添加的钨，根据本发明的最佳实施方案，允许以来自与制钢有关的所用原料的残渣的形式以不可避免的杂质存在。
除了以上提到的合金元素外，钢中不需要，也不应含有任何的显著量存在的其他合金元素。某些元素肯定是不需要的，因为它们可能对钢的特性具有不需要的影响。这是事实，例如，就磷而言，应保持在尽可能低的水平，优选不太于0.03％，以便防止对钢的韧性产生不利的影响。最关心的硫也是一种不需要的元素，首先它对韧性产生负面影响，主要是借助锰进行中和抵消，它主要是形成无害的硫化锰，由此，硫的最大允许量为0.25％，优选，最大为0.15％，以改进钢的机加工性。然而，通常钢不含有大于最大值0.08％，优选最大值为0.03％，最合适的最大为0.02％的S。
本发明的其他特征和情况从以下所进行实验的描述和所附权利要求会更加清楚。
附图简述
在以下进行的实验描述中，可参考附图，其中：
图1表示本发明制品的部分显微结构的照片，
图2表示与图1同样大小的参考钢制品的部分显微结构，
图3以条形图表示本发明材料和参考材料中碳化物的尺寸分布，
图4表示一组回火曲线，说明奥氏体化和回火温度对本发明钢硬度的影响，
图5表示一组回火曲线，说明奥氏体化和回火温度对本发明钢和二个试验参考材料的硬度的影响，
图6表示CCT-图表，说明本发明钢和参考钢的淬透性，
图7表示热处理和制品尺寸对某些试验材料延伸性的影响，和
图8以条状图说明本发明钢和参考钢的耐磨耗性。
进行试验的描述
材料
材料-钢/制品-根据发明可有如下标称的，以Wt％表示的化学组成，根据优选实施方案：1.60C，0.25Si，0.75Mn，≤0.020P，≤0.060S，5.00Cr2.30Mo，7.30V，≤0.005Ni，≤0.005Ti，≤0.30Ni，≤0.25Cu，≤0.020Al，≤0.10N，平衡量铁和上述以外的其他杂质。进行试验的目的，在于通过将材料与最接近现有技术的某些公知参考材料相比较而评价与以上标称组成相当接近的材料。
在试验系列中所涉及材料的化学组成示于表1。钢No.1具有本发明的组成。这种钢是按照所谓的喷射成形技术制造的，也称作OSPRAY-法，根据该法的铸块，它是围绕着其纵轴旋转，由熔融材料连续形成，该熔融材料是以熔滴形式，相对于铸块的增长端进行喷射，连续地制造，熔滴一旦遇到基质会引起相当迅速地凝固，然而并不像制造粉末时那样快，也不像有关通常制造铸块或有关连续铸造那样慢。更具体地，熔滴产生凝固如此迅速，以至使形成的MC-碳化物增长到本发明所要求的尺寸。喷射成形的铸块的钢No.1具有约2380kg的重量。铸块的直径约为500mm。将喷射成形的铸块加热到煅造温度1100～1150℃，并分别煅造成最终直径为φ330、105和76.5mm的坯料形状。
表1中给出了本发明喷射成形铸块钢No.1的分析组成，和市场购得钢No.2，钢No.3的分析组成，按照生产商的说明书，是最新提出的钢的标定组成。钢No.4给出了另一商业购得钢的组成。钢No.2，3和4都是粉末冶金制造的钢。除了表1给出的元素外，钢只含有铁和其它不是表中给出的那些不可避免的杂质。
表1：试验材料的化学组成(wt％)钢号 C Si Mn P S CrMo V Nb Ti Ni CuAlN 平衡 1 1,590,65 0,66 0,020 0,0915,012,426,92 0,005 0,0010,16 n.a.n.a.0,063铁和不可避免的 杂质 2 1,850,85 0,60 0,017 0,0125,331,318,36 n.a. n.a.0,04 n.a.n.a.0,063 ＂ 3 1,780,90 0,50 - -5,251,309,00 - -- --- ＂ 4 1,770,92 0,48 -＜0,035,251.308,88 - -- --- ＂
n.a.＝未分析
在如下描述的研究中，钢No.1和2是按如下进行试验。
·显微结构
·相对于奥氏体化和回火温度的硬度
·淬透性
·延展性
·抗磨损性
作为比较，在一种研究中一相对于奥氏体化和回火温度的硬度-也包括根据制造商的说明书钢No.4所涉及的信息。
显微结构
图1示出了由钢No.1制成的直径φ105mm棒的显微结构的扫描电子显微镜照片。该材料由TA＝1050℃/30min硬化和在525℃/2×2h下回火，而达到56 HRC的硬度。图2示出了钢No.2的显微结构，该钢为直径φ75mm的棒状，在TA＝1060℃/60min下硬化+525℃/2×2h回火后，达到54.5HRC的硬度。在图1的喷射成形材料中可观察到主要是MC-型的碳化物，其中M基本由钒构成。大部分的碳化物尺寸在1-20μm之间。然而，尺寸分布是相当明显的，正如图3条状图表示的。主要部分的碳化物以体积表示的碳化物的尺寸在2.0～10.0μm之间，并在该范围内，明显的趋势是碳化物，即，与体积有关的碳化物主要部分的尺寸在3.0-7.5μm之间。在扫描电子显微镜中，通过人工点计法确定碳化物总体积，在钢No.1中为13.1vol％，钢No.2中为15.4vol％。然而，钢No.2中，显微结构的型式是典型的粉末冶金制造钢，这就意味着所有碳化物非常小，最大约3μm。大部分的碳化物尺寸在0.5-2.0μm之间，并均匀地分布在钢基质中，与热处理无关。通过研究图2的显微照片肉眼可观察到，并从图3中的条状图形也能证明这一点。条状图表明钢No.2中大部分的MC-碳化物尺寸在0.5～2.0μm之间。
热处理后的硬度
由钢No.1制造的坯料具有190-230HB的硬度(布氏硬度)，在软退火条件下基本为200-215HB，与坯料尺寸无关。在软退火条件下，钢No.2的硬度略高，约为235HB。
在1000-1150℃之间的不同温度下进行奥氏体化后，回火温度对2种不同尺寸φ105mm和φ330mm坯料的钢No.1硬度的影响示于表4。在1150℃下奥氏体化和在550℃，2×2h回火后，可达到最高硬度。由1000℃硬化后可得最低的硬度。图4的曲线图表明在1000～1150℃温度下硬化后，通过选择525～650℃的回火温度，可获得所要求的45～60HRC加工硬度。2种尺寸φ105mm和φ330mm之间的硬度差异在硬度测量的误差的限界内。
图5说明钢No.1和No.4之间对回火响应的差异。钢No.2的曲线只基于2个点。图中的曲线表明基本上在相同的奥氏体化温度下硬化后，钢No.1的硬度高于钢No.4的硬度。钢No.1的耐回火性也优于钢No.4。由钢No.1制造的制品也包括尺寸为φ105mm的坯料。
淬透性
图6中图示出钢No.1和No.2的硬度与从800℃冷却到500℃所需时间的关系。由该图可以认为喷射成形的材料No.1的淬透性明显优于具有较高含量的钒和MC-碳化物的粉末冶金制造材料No.2的淬透性。
韧性
改变2种钢的棒尺寸，对钢No.1在1050℃/30min+1150℃/10min下硬化，并改变回火温度后，和对钢No.2在1060℃/60min+540℃/2×2h和1180℃10min+550℃/2×2h硬化后，使用无切口试验样品测量冲击能量。在棒的中心处，以最临界方向，即横截向选取试样。由图7结果很明显，表明当硬度增加时，延展性稍有降低，但一般来说2种钢的延展性一样好。对于所有试验样品，横截向上的冲击能量，所有测量都超过了10J，就钢制品的意向应用领域而言，都满足了冲击韧性的临界值。
耐磨损性
使用SO2作研磨剂，以针对针(pin to pin)方式检测耐磨性。关于被检测材料的尺寸和热处理，按如下进行。
钢No.1，φ105mm
a)1050℃/30min+600℃/2×2h；48.7HRC
c)1050℃/30min+525℃/2×2h；55.9HRC
钢No.2，φ75mm
b)1060℃/60min+540℃/2×2h；54.7HRC
d)1180℃/10min+550℃/2×2h；58.7HRC
从图8的条状图的结果很明显。该图说明根据本发明的材料No.1，棒a和c，尽管硬度低，碳化物的总体含量低，所呈现的耐磨性，与比较材料No.2，棒b和d的耐磨性一样好。
结论
所描述的实验表明，本发明的钢可以制成具有很高耐磨性的制品，这首先归功于材料的以足量存在MC-碳化物和适宜的尺寸。另一个重要的因素是钢的淬透性，非常好，并优于比较例钢。通过同时选择奥氏体化和/或回火温度，可获得适宜意向应用材料的45-60HRC之间的硬度。同时又能保持良好的耐磨性。涉及对不同用途，钢的适用性而言，通过适宜的热处理，本发明提供了显著的灵活性。对于钢的可行性的另一个重要的因素是它的制造，这种制造是基于喷射成形技术，主要是这种技术比粉末冶金制造技术更为经济。
也应当认识到根据本发明的制品可以具有任何可设想的形状，包括喷射成形的铸块，例如板、棒、块等形式的坯料，这些通常在软退火条件下，具有190-230HB，通常具有200-215HB的硬度，由钢制造商运送给消费者，以进行机加工而成为最终的产品形状，以及最终产品，这些产品已经过硬化和回火到所提及的使用硬度。根据意向应用所需要的硬度，可适当进行如下热处理：
·对最大韧性：1050℃/30min+590℃/2×2h，可获得约50HRC
·对韧性和耐磨性的最佳组合：1120℃/15min+540℃/2×2h，可获得约56HRC
·对最大耐磨性：1050℃/10min+540℃/2×2h，可获得约60HRC。
因此，实验表明根据本发明的材料，与参考材料比较，具有许多有利的特征：
·在可比较的热处理后，较高的硬度
·较好的耐磨性
·至少有同样好的耐磨性
·较好的淬透性
·在最临界方向；横截向上有可比较的韧性
·较低的生产费用