具有高機械強度和高耐磨性的鋼的製作方法

2023-06-24 05:16:46 3

專利名稱：具有高機械強度和高耐磨性的鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有高機械強度和高耐磨性的鋼。
背景技術：
在大量的工業中，使用具有高耐磨性的鋼。舉例來說，這些鋼是用來製造礦業設備部件的並且必須耐磨的鋼。它們還是用來製造用於冷成形或者在中等溫度下形成金屬工件的工具的鋼，並且由於金屬與金屬類型的摩擦這些鋼必須耐磨。對於這些加工工具的應用，儘管將鋼加熱至可能達到500℃或600℃的溫度，但是鋼至少必須保持良好的性質。
除了耐磨性外，為了能夠加工或者焊接，此處考慮的鋼還必須具有適當的性質。最後，它們必須能夠耐受衝擊或者強烈負荷。
一般來說，為了獲得所有所需的性質，通常使用包含大約0.3％-1.5％的碳、小於2％的矽、小於2％的錳、任選存在的不大於3％的鎳、1％-12％的鉻、0.5％-5％的鉬，任選還添加釩或鈮的鋼。
在那些鋼中，耐磨性主要源於碳化鉬的二級沉澱引起的硬化。如果需要可以通過存在特別富含鉻的粗萊氏體碳化物來提高耐磨性。
但是，必需存在高含量的引起充分硬化並在溫度方面穩定的二級沉澱的強的產生碳化物的元素，例如鉬和釩，而這確實具有導致形成接縫的缺點，所述接縫在那些元素中和在碳中高度分聚，並因此非常硬且非常脆。那些分聚接縫使加工或焊接變得困難。此外，它們構成了儘管是局部的，但可能非常大地降低工件耐衝擊性和耐強烈彎曲負荷的易碎區。

發明內容
本發明的目的是通過提供獲得性質等價於已知鋼的性質，但是大大降低了已知鋼的涉及分聚接縫的不利作用的鋼的方法來克服所述缺點。
為此，本發明涉及降低鋼的分聚接縫的不利作用的方法，所述鋼具有高機械強度和高耐磨性，並且其組成以重量百分數包含0.30％≤C≤1.42％0.05％≤Si≤1.5％Mn≤1.95％Ni≤2.9％1.1％≤Cr≤7.9％0.61％≤Mo≤4.4％-任選存在的一種或多種選自釩、鈮和鉭的元素，它們的含量為V≤1.45％、Nb≤1.45％、Ta≤1.45％並且V+Nb/2+Ta/4≤1.45％，-任選存在的不大於0.1％的硼，-任選存在的不大於0.19％的硫，不大於0.38％的硒和不大於0.76％的碲，S+Se/2+Te/4的總量保持小於或等於0.19％，-任選存在的不大於0.01％的鈣，-任選存在的不大於0.5％的稀土金屬，-任選存在的不大於1％的鋁，-任選存在的不大於1％的銅，剩餘的是鐵和源自生產操作的雜質。所述組成還符合800≤D≤1150其中D＝540(C)0.25+245(Mo+3V+1.5Nb+0.75Ta)0.30+125Cr0.20+15.8Mn+7.4Ni+18Si
根據所述方法-用兩倍比例的鎢完全或部分取代鉬，從而鎢的含量W大於或等於0.21％，-並且添加用來主要在固化期間形成粗的碳化物的鈦和/或鋯，並且碳的添加量δC等於Ti/4+Zr/8，從而調整後碳的含量等於C』＝調整前的C+Ti/4+Zr/8。
鈦和/或鋯的添加含量是Ti+Zr/2≥0.2×W(Ti+Zr/2)×C』≥0.07也就是說，考慮到C』＝(C+Ti/4+Zr/8)(其中C＝調整前的碳含量)(Ti+Zr/2)2(-C+C2+0.07)]]>並且Ti+Zr/2≤1.49％。
最初形成鈦和/或鋯碳化物的碳的添加量δC不再有效，並且因此不參與鉬、鎢、釩的碳化物，以及其次是碳化鉻的二級硬化沉澱。其取決於調整後的單體碳C*＝C』-Ti/4-Zr/8。這就導致除了與用於在鍛制鋼中進行觀察的實際離差相關的離差外，通過本發明方法不會改變鋼的硬化。就此而言，估計所得的因子D的離差不會超過±5％，從而可取地具有0.95×調整前的D≤調整後的D≤1.05×調整前的D，其中調整後的D＝540(C』-Ti/4-Zr/8)0.25+245(調整後的Mo+W/2+3V+1.5Nb+0.75Ta)0.30+125Cr0.20+15.8Mn+7.4Ni+18Si。
優選調整組成，使調整後的D＝調整前的D。
當鉻的含量為2.5-3.5％時，並且如果碳、鈦和鋯的含量是調整前的C≥0.51％，優選限制W的含量，從而在調整後，如果Mo＜1.21％，則W≤0.85％，並且如果Mo≥1.21％，則W/Mo≤0.7。
本發明還涉及任選地能夠通過根據本發明的方法獲得的具有高機械強度和高耐磨性的鋼，所述鋼的化學組成以重量百分數包含035％≤C≤1.47％0.05％≤Si≤1.5％Mn≤1.95％Ni≤2.9％1.1％≤Cr≤7.9％0％≤Mo≤4.29％0.21％≤W≤4.9％0.61％≤Mo+W/2≤4.4％0％≤Ti≤1.49％0％≤Zr≤2.9％0.21％≤Ti+Zr/2≤1.49％-任選存在的一種或多種選自釩、鈮和鉭的元素，它們的含量為V≤1.45％、Nb≤1.45％、Ta≤1.45％並且V+Nb/2+Ta/4≤1.45％，-任選存在的不大於0.1％的硼，-任選存在的不大於0.19％的硫，不大於0.38％的硒和不大於0.76％的碲，S+Se/2+Te/4的總量保持小於或等於0.19％，-任選存在的不大於0.01％的鈣，-任選存在的不大於0.5％的稀土金屬，-任選存在的不大於1％的鋁，-任選存在的不大於1％的銅，剩餘的是鐵和源自生產操作的雜質，所述組成符合下面的條件(Ti+Zr/2)/W≥0.20(Ti+Zr/2)×C≥0.07
0.3％≤C*≤1.42％，並且優選≤1.1％800≤D≤1150其中D＝540(C*)0.25+245(Mo+W/2+3V+1.5Nb+0.75Ta)0.3+125Cr0.20+15.8Mn+7.4Ni+18Si並且C*＝C-Ti/4-Zr/8，並且此外如果C*≥0.51％，並且如果2.5％≤Cr≤3.5％，那麼如果Mo＜1.21％，則W≤0.85％，並且如果Mo≥1.21％，則W/Mo≤0.7。
此外，所述鋼優選符合下面的條件中的一個或多個Si＜0.45％，如果希望優先考慮熱導率，或者Si≥0.45％，如果希望優先考慮適合熱加工，或者Mo+W/2≥2.2％，為了增加鋼的抗軟化性並且賦予其高強度；Cr≥3.5％，為了有助於可淬火性和硬化；C≤0.85％，如果希望優先考慮韌性，或者C＞0.85％，如果希望獲得儘可能高的耐磨性。
為了優先考慮韌性，所述鋼可以進一步滿足Ti+Zr/2＜0.7％或者為了優先考慮耐磨性，滿足Ti+Zr/2≥0.7％。
本發明還涉及製造根據本發明的鋼工件的方法，根據所述方法-生產具有所需組成的液態鋼，其中調整熔融鋼浴中的鈦和/或鋯的含量，優選一直防止所述熔融鋼浴中鈦和/或鋯局部濃度過量；-澆鑄所述鋼以便獲得半成品；-然後，使所述半成品通過在熱狀態中塑性形變而接受成形加工操作，並且任選地接受熱加工操作，以便獲得所述工件。
為了限制在液態浴中的暫時的過量濃度，優選通過向覆蓋所述液態鋼浴的熔渣中逐漸加入鈦和/或鋯並且使所述鈦和/或鋯在所述液態鋼浴中緩慢擴散來進行鈦和/或鋯的添加。
還可以通過在攪拌所述液態鋼浴的同時將包含鈦和/或鋯的金屬絲引入所述液態鋼浴中來進行鈦和/或鋯的添加。
最後，本發明涉及可以通過根據本發明的生產方法獲得的根據本發明的鋼工件。
具體實施例方式
現在將更詳細地，但是以非限制性的方式說明本發明，並且參照實施例和一個表示對於各種鋼的鎢的分聚率對比例(Ti+Zr/2)/W的圖來舉例說明。
已知鎢是對鋼性質的影響與鉬對鋼性質的影響可比的合金元素。具體地說，已知在每一份鉬兩份鎢的比例下，鎢在硬化和抗熱軟化性方面具有與鉬可比的作用。但是，除了在一些本發明不涉及的非常高合金化的鋼中外，很少使用鎢，特別是因為它遠比鉬昂貴。像鉬一樣，鎢還具有非常強地分聚並且引起非常硬且非常脆的分聚接縫的缺點。
本發明人已經以新穎且驚人的方式證實在足夠量的鈦或鋯的存在下，非常大地減弱了鎢的分聚另外當鉬的含量也已經相對高時利用所述作用是特別有利的。
下面的假設可以澄清後面所述意外的結果-例如鉬和鎢的元素以細沉澱的形式形成碳化物，這些碳化物硬化了基體並因此允許獲得鋼的所需硬度。特別是以鉬或鎢的過量濃度為特徵的分聚接縫因此在硬化沉澱的密度方面具有大的增加並因此在硬度和脆性方面具有大的局部增加；-鈦或鋯也形成碳化物。但是，那些碳化物是相對粗的，因此數量比較少並且對於金屬基體自身沒有任何顯著的硬化作用；-本發明人已經以新穎且意外的方式證實當鋼一方面包含鈦和/或鋯並且同時另一方面包含鎢時，鎢具有與鈦和/或鋯一起沉澱的趨勢，以便形成粗的非硬化沉澱。
因此，考慮上述觀察結果，可以認為在鈦和/或鋯的存在下，鎢的含量降低，並因此硬化碳化物的細沉澱的密度降低，並且更具體的是在其中粗的鈦或鋯碳化物遠遠更加大量的分聚接縫的區域，而這正是因為分聚。一個結果將是因此大大地減弱分聚接縫和未分聚區之間的硬度差異，並且因而降低分聚接縫的不利作用(具體地說是脆性增加區域的存在、加工困難、對拋光和顆粒化的不均勻的響應、通過焊接重建表面(resurfacing)……)。
以那些觀察結果和上面已經提出的假設為基礎，本發明人想像出使包含顯著比例的鉬的鋼的分聚接縫的缺點大大降低，同時保持所述鋼用途的所有必需性質的方法。
根據本發明的方法涉及在實施所述方法前主要包含0.30％-1.42％的碳、0.05％-1.5％的矽、小於1.95％的錳、小於2.9％的鎳、1.1％-7.9％的鉻、0.61％-4.4％的鉬，任選存在的不大於1.45％的釩、不大於1.45％的鈮、小於1.45％的鉭，同時V+Nb/2+Ta/4≤1.45％的鋼。所述鋼具有800-1150的硬度值D，將在下面解釋該值。所述鋼還可以包含不大於0.1％的硼、不大於0.19％的硫、不大於0.38％的硒、不大於0.79％的碲，S+Se/2+Te/4的總量保持小於0.19％、任選存在的不大於0.01％的鈣、不大於0.5％的稀土金屬、不大於1％的鋁和不大於1％的銅。
根據所述方法，用基本上兩倍比例的鎢完全或部分取代鉬，並且考慮引入鋼中的鎢的量，添加鈦和/或鋯以獲得足夠量的鈦和/或鋯，並且調整碳的含量，從而特別是鋼的硬度保持基本上不變。
為此，例如使用可以計算將在下面解釋的硬度值D的公式，或者通過本領域技術人員已知的任何其它方法，選擇無鎢鋼所需的組成，從而獲得用途的所需特性，特別是硬度水平。然後，以用途的至少一種主要特性，特別是硬度保持基本上不變的方式，通過選擇鎢的含量，同時調整鉬的含量和鈦或鋯的含量以及隨後調整碳的含量來改變目的組成。然後，生產出與改變分析相應的鋼。「基本上不變」意指例如已經調整組成後鋼的硬度等於調整組成前鋼的硬度至變化範圍為調整前鋼的硬度的5％以內。為了考慮在製造精確具有事先定義的性質的鋼時的實際困難，引入所述容許誤差。但是，優選所得的特性與調整組成前鋼的目的特性儘可能相似。因此，優選容許誤差只有2％，並且在只關心目的特性的範圍內，已經調整組成後的硬度目的特性等於調整組成前的硬度目的特性是更加優選的。
在所述方法中，鎢的添加量必須大於或者等於0.21％，優選大於0.4％，更優選大於0.7％，並且甚至更優選地大於1.05％。鉬用鎢取代得越多，對分聚的作用越明顯。但是，該作用取決於鈦或鋯的含量，這通常導致對鎢的最大添加量的進一步限制。
為了獲得對分聚的所需作用，鈦和鋯的含量必須是Ti+Zr/2的總量大於或者等於0.2×W，優選大於或者等於0.4×W，甚至更優選大於或者等於0.6×W。但是出於後面給出的原因，過量增加鈦或鋯的含量是不希望的。那會間接導致鎢的添加限度至最大4.9％。通常，鎢的含量保持小於2.9％，更優選1.9％或者甚至小於或等於0.85％，或者0.49％。
此外，根據鈦和/或鋯的含量，必須調整碳的含量，使得單體碳的含量C*＝C』-Ti/4-Zr/8保持基本上不變，即使得已經調整組成後單體碳的含量C*基本上等於調整組成前的碳含量C(在該公式中，C』代表已經調整組成後的鋼的碳含量)。為了保持鋼的硬度和抗熱軟化性基本上不變，該條件是必需的。在D是將在後面解釋的硬度值下，希望具有如下關係
0.95×調整前的D≤調整後的D≤1.05×調整前的D，或者更優選地0.98×調整前的D≤調整後的D≤1.02×調整前的D，或者甚至更優選地調整後的D＝調整前的D。
實踐中，選擇要調整的含量的操作包括-根據降低分聚的所需最小程度(表2、3、4或附圖
可以用作這方面的指導)，選擇要代替一半比例的鉬的鎢的含量；-根據優先考慮耐磨性還是韌性，選擇Ti和/或Zr的含量是更高或更低的，並且因為必需(Ti+Zr/2)≥0.2W，Ti和/或Zr的含量就鎢的添加量而言還必須是足夠的；-根據上述含量，求出所需的碳的增加，即δC＝Ti/4+Zr/8。
現在將說明根據本發明的鋼，所述鋼能夠通過根據本發明的方法獲得並且具有比與先有技術硬度相同的鋼具有更少不利的分聚接縫的優點。
根據本發明的鋼包含大於0.35％，優選大於0.51％，並且更優選大於0.65％的碳，以便能夠充分地形成碳化物並且達到想要獲得的硬度水平，但是碳小於1.47％並且優選小於1.1％且甚至更優選小於0.98％，以便避免鋼過度發脆。從上述已經可以看出，所述鋼包含鈦和鋯並且那些元素在高溫下與碳結合，以便形成初級碳化物。如此，在初級鈦和鋯碳化物形成後，保持可以對基體的性質起作用的所謂「自由的」的碳是單體碳，它未與鈦和鋯結合。這種未與鈦和鋯結合併且稱作C*的碳的量滿足C*＝C-Ti/4-Zr/8(C、Ti和Zr分別是鋼中碳、鈦和鋯的含量；下文中也將C稱為「總碳含量」)。這種有效量的碳必須足以允許二級碳化物並且特別是鎢和鉬的碳化物或者添加到鋼中的其它元素的沉澱，並且從這點來看，單體碳的含量C*必須大於或者等於0.3％。但是，為了不過度抑制基體自身的韌性，所述含量必須不超過1.42％，並且優選1.1％或者更優選0.98％，或者甚至更優選0.79％。
此外，為了便於生產操作，特別是為了減少冷卻鋼棒或鋼板所採取的預防措施，可以優選進一步限制最大總碳含量C至0.85％，或者更優選0.79％；優選單體碳的含量C*保持小於0.60％，或者0.50％。相反，為了提高鋼的機械強度和耐磨性，可以優選選擇大於0.85％的總碳含量C。根據鋼的目的用途，根據情況進行所述選擇。
鋼包含大於0.05％的矽，因為該元素是脫氧劑。此外，它對鋼的硬化略微有貢獻。但是，為了避免過度使鋼變脆並且避免過度降低其對熱狀態下例如通過軋制的塑性形變的適應性，矽的含量必須保持小於或等於1.5％並且優選小於或等於1.1％，更優選0.9％，並且甚至更優選小於或等於0.6％。此外，為了提高鋼的可加工性並且還提高抗氧化性，可以優選強制矽的最小含量為0.45％並且更優選0.6％。當用鋼製造打算在450℃-600℃量級的相對高溫度下工作(這需要足夠的抗軟化性)的工件時，抗氧化性的提高是特別優選的。當需要為這種工作條件獲得足夠的抗軟化性時，優選Mo+W/2的含量大於或等於2.2％。因此，當鉬和鎢的含量滿足Mo+W/2的總量大於或等於2.2％時，儘管這不是唯一的特性，但是矽含量的最小值為0.45％，或者更優選0.6％是更加特別有利的。但是，對於一些應用，鋼的熱導率儘可能大是優選的。在此情況下，希望矽的含量保持小於0.45％，並且優選儘可能地低。
為了改善鋼的可淬火性，鋼包含不大於1.95重量％的錳，但是為了限制將導致不良的可鍛性和不足的韌性的分聚，該含量必須優選保持小於或等於1.5％並且甚至更優選小於或等於0.9％。應當指出特別是為了固定硫，鋼仍包含少量的錳，即十分之幾個百分點，並且優選Mn的含量為至少0.4％。
為了調節可淬滅性並且提高韌性，鋼包含不大於2.9％的鎳。但是，該元素是非常昂貴的。因此，通常不追求大於0.9％或者甚至0.7％的鎳含量。鋼可以不含鎳，但是當有意不添加鎳時，鋼包含不大於0.2％，或者不大於0.4％的源於生產操作的殘餘物形式的鎳是有利的。
為了獲得足夠的可淬滅性並且增加回火期間的硬化，鋼包含大於1.1％並且更優選大於2.1％，並且甚至更優選大於3.1％，並且甚至大於3.5％的鉻，但是為了不抑制特別是包含Mo和/或W並且本身在硬化方面比碳化鉻更有效的二級碳化物的形成，鉻的含量小於7.9％並且更優選小於5.9％或者甚至更優選小於4.9％。
這些二級碳化物(即，在重新奧氏體化(re-austenitization)後冷卻期間並且特別是在回火操作期間形成的二級碳化物)比萊氏體碳化物(在固化結束時任選獲得的)細得多且量大得多。因此，它們高度促進了回火後金屬基體的硬化。它們在增強基體的耐磨性方面也是有利的，從而限制了自身對鋼的耐磨性產生很大附加貢獻的而且非常硬的、粗的鈦和/或鋯的碳化物分離的危險。
在鉻的含量範圍內，區分兩個優選的子範圍是有利的。當鉻的含量足夠高時，該元素趨向於特別是在分聚接縫中形成粗的並且或多或少以枝晶間網狀排列的萊氏體型碳化物。儘管對耐磨性產生有利的作用，但是那些碳化物特別是促進了至少基體的局部變脆。因此，當需要先於韌性優選考慮硬度和耐磨性時，需要選擇促進萊氏體型碳化物存在的大於或者等於3.5％的鉻含量。另一方面，當需要促進鋼的韌性，同時接受耐磨性的輕微降低時，優選選擇小於或等於2.5％的鉻含量。但是，在2.5-3.5％鉻的中間界限中，因為鎢傾向於形成在溫度方面比鉬的碳化物更穩定的碳化物而趨向於通過優先與之結合來促進萊氏體碳化鉻的形成，所以或者通過限制單體碳含量小於0.51％，或者通過限制鎢的含量或者限制鎢與鉬的比例，還可以優先考慮韌性。
鋼中鉬和鎢的含量將必須滿足Mo+W/2的總量大於或等於0.61％，優選大於或等於1.1％，並且更優選大於或等於1.6％。為了獲得高水平的硬化以及更好的抗熱軟化性，特別是當鋼的用途使其加熱至能超過大約450℃的溫度時，大於2.2％的所述含量是更加優選的。例如，鋼用於在中等溫度下從鋼來生產工具就是這種情況。在此情況下，根據所需硬度和在工件上實施回火所需的溫度，Mo+W/2的總量可以不大於2.9％或3.4％，或者甚至是3.9％。為了達到非常高水平的基體耐磨性並且最大程度地限制暗中破壞的作用並因此儘可能延遲Ti和/或Zr的粗碳化物的分離，Mo+W/2甚至可以不大於4.4％。
因為與本發明方法的應用無關，產生Mo的碳化物的物質的分聚隨著那些元素的含量增加，所以與(Mo+W/2)含量，即施用本發明方法前的鉬含量的增加相關的優點使得考慮它更有利。
在前面對於Mo+W/2組合含量的定義的範圍內，為了最佳使用鎢的特殊作用，鎢的含量最少為0.21％，優選至少0.41％，甚至更有利地至少0.61％。
如上所述，鎢的含量取決於降低分聚的不利作用的所需程度，並且還可以包括合金的成本。所述含量可以不大於4.9％，但是通常不超過1.9％；通常小於或等於0.90％或者甚至0.79％的含量是足夠的。
鉬的含量可以是痕量的，但是優選至少等於0.51％，並且更優選甚至至少等於1.4％，甚至更優選至少2.05％。此外，根據所需的抵抗性水平，不一定超過4.29％的限制含量，優選3.4％或者更優選2.9％，該限制還允許進一步降低鉬對硬化分聚的貢獻。
但是，當鉻的含量為大約2.5％-3.5％，並且當單體碳的含量C*＝C-Ti/4-Zr/8大於或等於0.51％時，太高的鎢含量可能導致或多或少與鎢結合的碳化鉻的形成。那些碳化物是粗的並且或多或少以枝晶間網狀排列的萊氏體型，它們促進了至少基體的局部變脆。為了克服所述缺點，當鉻的含量為2.5％-3.5％，並且單體碳的含量C*大於或等於0.51％時，在鉬的含量小於1.21％時限制鎢的含量不大於0.85％，並且在鉬的含量大於或等於1.21％時限制鎢/鉬的比例不大於0.7。
為了在降低分聚接縫的不利作用方面獲得所需的效果，必須調整鈦和鋯的含量，使Ti+Zr/2的總量為至少0.21％並且優選大於或等於0.41％，或者更優選大於或等於0.61％。此外，所述元素促進了改善耐磨性的粗碳化物的形成。但是，為了不過度抑制韌性，Ti+Zr/2的總量必須保持小於1.49％並且優選小於1.19％，或者小於0.99％或者甚至小於0.79％。此外，必須根據需要優先考慮鋼的韌性還是其耐磨性來調整鈦和鋯的含量。從這一點來看，當需要優先考慮鋼的韌性時，Ti+Zr/2的總量必須優選保持小於0.7％。當需要優先考慮鋼的耐磨性時，Ti+Zr/2的總量必須優選大於或等於0.7％。最後，為了有效的，即導致粗碳化物的形成，鈦和鋯的含量對於碳的總含量C而言必須是足夠的。為此，乘積(Ti+Zr/2)×C必須大於或等於0.07，優選大於或等於0.12，並且更優選地大於或等於0.2。
為了符合對於Ti+Zr/2所示的含量範圍，鈦的最小含量可以是0％，或者痕量水平，但是其優選為至少0.21％，並且更優選0.41％，甚至更優選0.61％；鋯的最小含量可以是0％，或者痕量水平，但是其優選為至少0.06％，或者更優選至少0.11％。鈦的最大含量為1.49％，但是可以降低至1.19％或者0.99％，更優選降低至0.79％或者甚至0.7％，而鋯的最大含量為2.9％，優選0.9％，更優選0.49％。
鋼任選地包含不大於1.45％的釩、不大於1.45％的鈮、不大於1.45％的鉭，V+Nb/2+Ta/4的總量小於1.45％，更優選小於0.95％並且甚至小於0.45％。最小含量是0％或者痕量水平，但是其優選為至少0.11％，並且更優選至少0.21％。如對於值D的公式所示，V+Nb/2+Ta/4的添加水平有助於穩固抗性和對回火的響應。
所述元素具有通過MC型碳化物的沉澱而大大改善抗軟化性的優點。從那些元素中，選擇釩並且以0.11％-0.95％的含量添加釩是優選的。儘管可以使用鈮，但是鈮具有在比釩的沉澱溫度更高的溫度下沉澱的缺點，這會大大降低鋼的可鍛性。因此，不推薦存在鈮，並且在任何情況下，優選鈮的含量保持小於1％或者0.5％，或者甚至更優選小於0.05％。
為了改善可加工性，鋼任選地包含不大於0.095％，或者甚至不大於0.19％的硫，但是當追求良好的韌性時小於0.005％的含量是優選的。
為了獲得在加工方面對響應的明顯作用，優選硫的最小含量為0.011％或者更優選0.051％。
可以由兩倍重量的硒或者四倍重量的碲完全或部分代替硫，但是通常優選添加更經濟的硫。此外，為了促進形成對於切割工具更加有效的混合的Mn和Ca的硫化物，通過添加含量不大於0.010％的鈣來補充硫對可加工性的有利作用是有利的。因此，鋼可以包含不大於0.38％的硒、不大於0.76％的碲和不大於0.01％的鈣，S+Se/2+Te/4的總量保持小於或等於0.19％。
為了便於碳化物的核化並且改進結構，鋼任選包含不大於0.5％的稀土金屬，並且為了改善可淬火性，任選包含不大於0.1％的硼。
鋼還可以包含不大於1％的銅。該元素是不優選的，但是可能通過分離起來太昂貴的原材料來引入。但是，因為銅元素對於熱狀態下的延展性有不利的作用，所以必須限制銅的含量。就此而言，至少當銅的含量超過大約0.5％時，存在含量至少等於銅含量的Ni是優選的。足夠量的鎳減弱了銅的不利作用。
同樣，鋼可以包含鋁，鋁像矽一樣有助於液態金屬的脫氧。鋁的含量處於痕量水平，或者更優選地至少0.006％，甚至更優選地至少0.020％。此外，為了保證足夠的純度，該元素的含量必須保持小於1％，並且優選不超過0.100％，並且甚至更優選小於0.050％。
由鐵和源於生產操作的雜質構成組成的剩餘部分。應當指出當在生產操作期間有意不添加一種元素時，其含量為0％或者痕量水平，即根據該元素，與分析方法的檢測限或者與通過原材料引入的量相應而對性質沒有顯著的影響。
鋼回火期間獲得的硬化取決於基體中溶解的元素，例如錳、鎳和矽，但是特別是取決於可以形成碳化物的元素，例如鉬、鎢、釩、鈮，和較小程度的鉻以及基體中的單體碳，即尚未被鈦和鋯固定的碳。如上所述，單體碳的含量是C*＝C-Ti/4-Zr/8。
本發明人證實可以通過下面的公式根據化學組成來評價鋼的硬化D＝540(C*)0.25+245(Mo+W/2+3V+1.5Nb+0.75Ta)0.30+125×Cr0.20+15.8×Mn+7.4×Ni+18×Si。
D是代表源於在標準回火條件(550℃下1小時)下回火的硬化的硬度值。D的值越高，在特定溫度下回火後的硬度越高，或者使之達到給定硬度水平的溫度越高。
此外，如本領域技術人員所已知，在給定的D值下，硬度根據溫度和回火時間變化。
應當指出上述公式既適用於根據本發明的鋼，或者通過根據本發明的方法獲得的鋼，又適用於施用根據本發明的方法的初始鋼。在所有情況中，要考慮的含量是進行計算的鋼的有效含量。這就是當對不含任何鎢、鈦或鋯的初始鋼運用上述公式時，C*由C代替，因為在此情況下C*＝C，並且術語W/2因為等於0而消失的原因。
一般來說，係數D為800-1150。但是，根據用戶所需的硬度水平和希望的回火溫度可以將該範圍分成子範圍。特別地，D值在下列範圍內-800-900-901-950-951-1000
-1001-1075-1076-1150。
在上述範圍內，在550℃回火1小時後獲得的典型硬度水平通過表示分別在如下量級45HRC、52HRC、57HRC、60HRC和63HRC。
考慮上述所有條件，對於根據本發明的鋼，可以選擇如下定義的組成的優選範圍0.55％≤C≤1.1％0.21％≤Ti≤1.19％Zr0％或者痕量水平0.05％≤Si≤0.9％Mn≤0.9％Ni≤0.9％2.1％≤Cr≤4.9％2.05％≤Mo≤2.9％0.21％≤W≤0.79％0.21％≤V≤0.45％Nb0％或者痕量水平。
在所述範圍內，可以確定子範圍或者組，它們由碳和鈦含量的界限來定義並且或多或少與優先考慮韌性或者耐磨性相應。
那些組如下組A0.85％≤C≤1.1％0.70％≤Ti≤1.19％組B0.65％≤C≤1.1％0.61％≤Ti≤0.99％組C
0.65％≤C≤0.98％0.41％≤Ti≤0.79％組D0.51％≤C≤0.85％0.21％≤Ti≤0.70％在上述每組中，可以考慮硬度值D的表達式所表示的各種合金元素的影響來調整硬度水平。
在給定的硬度水平下，以耐磨性降低為代價，在韌性水平增加的意義上以A、B、C和D的順序依次排列各組。
與有利於韌性的優先選擇相應的特別有利的實施方案在於調整所述組成，從而獲得W＝0.2-0.9％並且(Ti+Zr/2)為至少0.35％，但是小於0.49％，並且(Mo+W/2+3V+1.5Nb+0.75Ta)從最小值2.5％，更優選3.0％，至最大值4.5％，更優選3.5％，單體碳C*也為0.51％-1％，更優選0.6％-0.9％。
與有利於耐磨性的優先選擇相應的另一個特別有利的實施方案在於調整所述組成，從而獲得W＝0.2-0.9％並且(Ti+Zr/2)為至少0.49％，但是小於0.95％，並且(Mo+W/2+3V+1.5Nb+0.75Ta)從最小值2.5％，更優選3.0％，至最大值4.5％，更優選3.5％，單體碳C*也為0.51％-1％，更優選0.6％-0.9％。
根據本發明，特別是當考慮到液態鋼中仍存在的溶解的氮的含量，添加鈦和鋯後不久液態鋼中鈦和鋯的暫時過量濃度過高時，鈦和鋯是初級碳化物的形式並且不是在液態鋼中易於形成的氮化物的形式是優選的。
因此，為了生產根據本發明的鋼，可以按照鈦和鋯兩種元素僅與氮輕微反應並且充分與碳反應的方式來引入鈦和鋯。這可以通過當添加Ti和Zr時，在鋼的液相期間防止Ti或Zr的暫時過量濃度來實現。
為了製造根據本發明的鋼工件，可以實施如下步驟-首先，通過熔化鈦和/或鋯以外的所有根據本發明的類型的元素來生產液態鋼，-然後，向熔融鋼浴中添加鈦和鋯，一直防止熔融鋼浴中鈦和/或鋯的局部濃度過量。
然後，以半成品，例如錠件或鋼板的形式澆鑄鋼，通過在熱狀態下塑性形變，例如通過軋制來形成半成品，然後使所得產品接受任選的熱加工操作。
為了在防止任何局部濃度過量的同時向液態鋼中引入鈦和鋯，可以實施各種方法，並且特別是可以-向覆蓋液態鋼浴的熔渣中加入鈦和/或鋯，使鈦和鋯在鋼浴中緩慢擴散；-在由氣體或者任何其它適當方法攪拌液態鋼浴的同時，通過由所述元素組成的金屬絲以連續的方式加入鈦和/或鋯；-在由氣體或者任何其它方法攪拌鋼浴的同時，通過將包含所述元素的粉末吹入液態鋼浴中來加入鈦和/或鋯。
根據本發明，優選使用如上所述的各種實施方案。但是，可以理解可以使用允許防止鈦和/或鋯局部過量濃度的任何方法。
但是，添加Ti和Zr的特定方法對生產本發明所述的鋼不是必需的，而是任選的。
可以使所生產的工件接受的熱加工操作是加工鋼的傳統類型。這種熱加工操作可以任選地包括一次或多次退火操作以便於切割和加工，然後奧氏體化，接著在根據適應其厚度的方法冷卻，例如在空氣或油中冷卻，然後任選地根據所要實現的硬度水平進行一次或多次退火操作。
通過上述方法，獲得與根據先有技術的鋼工件具有相同的主要用途特性的鋼工件。但是，相對於那些在根據先有技術的工件中可以看見的接縫，這些工件具有大大減弱的分聚接縫。因此，這些工件更容易加工或者焊接並且具有高於根據先有技術的工件的韌性。
通過實施例並且為了舉例說明鎢和鈦或鋯之間的協同作用，可以生產公稱組成如表1中所示的鋼中的工件。表1表示了化學組成、硬度係數D的值和分聚係數ΓS，分聚係數ΓS考慮了能夠產生二級硬化的在分聚接縫中的鉬和鎢的累積硬化和脆化分聚。為此，為了正確考慮除了可以在粗的鈦和鋯的碳化物中固定的鉬和鎢以外(它們自身容易包含鉬或鎢，形成混合的碳化物(Ti Zr Mo W)C)基體中的其它鉬和鎢的含量，在抑制粗的碳化鈦的同時，使用微探針測量鉬和鎢在分聚接縫內(Mos和Ws)和分聚接縫外(Moh和Wh)的含量。如此，Mo和W的硬化和脆化部分將理解為是關於金屬基體的。
如此，(Mo+W/2)累積含量的分聚率ΓSMW定義如下ΓSMW＝((Mos+Ws/2)-(Moh+Wh/2))/(Moh+Wh/2)。
已經保留了標準Mo+W/2，因為它代表了元素Mo和W在分聚接縫內部和這些接縫外部的累積硬化貢獻。
表1

實施例a1、b1、c1和d1相應於參考鋼，即在實施根據本發明的方法前選擇其組成的鋼。除了不符合與鎢和鈦相關的條件的實施例a2和b2外，其它實施例來自那些通過根據本發明的方法的參考鋼。
實施例a1、a2和a3具有相同的硬度。實施例a2從實施例a1通過用0.40％鎢代替0.20％鉬而不添加一點鈦獲得。可以理解分聚率沒有明顯改變。
根據本發明的實施例a3從實施例a1不僅通過用0.40％鎢代替0.20％鉬而且還添加0.40％鈦並因此調整碳來獲得。可以理解該鋼的分聚率相對於實施例a1和a2的分聚率非常大地降低。
同樣，實施例b1、b2和b3表明添加鈦和鋯而不添加一點鎢沒有任何作用(比較b1、b2)，而在存在部分代替鉬的鎢時出現所需的作用(比較b2、b3)。
實施例c1、c2和c3表明在相同添加量的鎢下，鈦添加量的增加對於分聚具有有利的作用。
同樣，實施例d1、d2和d3表明因為鈦或鋯的含量是充足的，所以鎢含量的增加具有有利的作用。
為了闡明比例(Ti+Zr/2)/W對於鎢分聚的作用，還可以看與參考澆鑄5、7、1、9、6、2、18、13、17和3的鋼相應的實施例，除了參考澆鑄外，所有這些鋼均與本發明相應。表2中列出了那些澆鑄中主要元素的含量；組成的剩餘部分是鐵和源於生產操作的雜質。
表2

表3表明了在具有公稱鎢含量的分聚接縫中，Ti+Zr/2的總量、W的含量、比例(Ti+Zr/2)/W和W含量的關係Ws/W。
根據關係(Ti+Zr/2)/W的值，在附圖的圖解中已經給出關係Ws/W的值。
表3

圖解表明一旦關係(Ti+Zr/2)/W超過0.2，關係Ws/W就變成基本上小於2。還可以看出當(Ti+Zr/2)/W增加時Ws/W有規律地降低，而對於不含任何鈦或鋯的參考澆鑄，Ws/W是2.7。
還通過與表4中所示的分析相應的實施例舉例說明了本發明，表4也表明在所有情況中關係Ws/W均小於1.6並且甚至可以小至0.67。
表4

這些實施例還表明了矽含量對鋼的熱導率的影響以及因此當鋼用來生產需要良好熱導率的工具時強制低的矽含量的優點。由實施例對21和28、22和29、23和30舉例說明了這種作用。在每對那些實施例中，實施例僅在矽含量方面是有很大不同的。熱導率水平如下實施例n°21Si＝0.9％熱導率＝20.6W/m/K實施例n°28Si＝0.2％熱導率＝25.1W/mK
實施例n°22Si＝0.8％ 熱導率＝21.3W/m/K實施例n°29Si＝0.3％ 熱導率＝24.4W/m/K實施例n°23Si＝0.7％ 熱導率＝20.7W/m/K實施例n°30Si＝0.2％ 熱導率＝23.6W/m/K這樣，可以看出低含量水平的矽使熱導率顯著增加。在實施例的情況中，熱導率的增加為大約15％-大約25％。
權利要求
1.降低鋼的分聚接縫的不利作用的方法，所述鋼具有高機械強度和高耐磨性並且其組成以重量％包含0.30％≤C≤1.42％0.05％≤Si≤1.5％Mn≤1.95％Ni≤2.9％1.1％≤Cr≤7.9％0.61％≤Mo≤4.4％-任選存在的一種或多種選自釩、鈮和鉭的元素，它們的含量為V≤1.45％、Nb≤1.45％、Ta≤1.45％並且V+Nb/2+Ta/4≤1.45％，-任選存在的不大於0.1％的硼，-任選存在的不大於0.19％的硫，不大於0.38％的硒和不大於0.76％的碲，S+Se/2+Te/4的總量保持小於或等於0.19％，-任選存在的不大於0.01％的鈣，-任選存在的不大於0.5％的稀土金屬，-任選存在的不大於1％的鋁，-任選存在的不大於1％的銅，剩餘的是鐵和源自生產操作的雜質，所述組成還符合800≤D≤1150其中D＝540(C)0.25+245(Mo+3V+1.5Nb+0.75Ta)0.30+125Cr0.20+15.8Mn+7.4Ni+18Si根據所述方法-用兩倍比例的鎢完全或部分取代鉬，從而鎢的含量W大於或等於0.21％，-調整鈦和/或鋯的含量以及碳的含量，使得調整後它們的含量如下，假設C』是調整後碳的含量並且C是調整前碳的含量Ti+Zr/2≥0.20×WC』＝C+Ti/4+Zr/8(Ti+Zr/2)×C』≥0.07並且Ti+Zr/2≤1.49％，在鋼廠中實施那些分析調整的精度是0.95×調整前的D≤調整後的D≤1.05×調整前的D，其中調整後的D＝540(C』-Ti/4-Zr/8)0.25+245(調整後的Mo+W/2+3V+1.5Nb+0.75Ta)0.30+125 Cr0.20+15.8Mn+7.4Ni+18Si。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於當鉻的含量為2.5-3.5％時，如果組成調整前碳的含量是C≥0.51％，那麼如果調整後Mo＜1.21％，則W≤0.85％，並且如果調整後Mo≥1.21％，則W/Mo≤0.7。
3.根據權利要求1或權利要求2的方法，其特徵在於調整後的D＝調整前的D。
4.具有高機械強度和高耐磨性的鋼，所述鋼的化學組成以重量％包含0.35％≤C≤1.47％0.05％≤Si≤1.5％Mn≤1.95％Ni≤2.9％1.1％≤Cr≤7.9％0％≤Mo≤4.29％0.21％≤W≤4.9％0.61％≤Mo+W/2≤4.4％0％≤Ti≤1.49％0％≤Zr≤2.9％0.21％≤Ti+Zr/2≤1.49％-任選存在的一種或多種選自釩、鈮和鉭的元素，它們的含量為V≤1.45％、Nb≤1.45％、Ta≤1.45％並且V+Nb/2+Ta/4≤1.45％，-任選存在的不大於0.1％的硼，-任選存在的不大於0.19％的硫，不大於0.38％的硒和不大於0.76％的碲，S+Se/2+Te/4的總量保持小於或等於0.19％，-任選存在的不大於0.01％的鈣，-任選存在的不大於0.5％的稀土金屬，-任選存在的不大於1％的鋁，-任選存在的不大於1％的銅，剩餘的是鐵和源自生產操作的雜質，所述組成符合下面的條件(Ti+Zr/2)/W≥0.20(Ti+Zr/2)×C≥0.070.3％≤C*≤1.42％800≤D≤1150其中D＝540(C*)0.25+245(Mo+W/2+3V+1.5Nb+0.75Ta)0.3+125Cr0.20+15.8Mn+7.4Ni+18Si並且C*＝C-Ti/4-Zr/8，並且，此外如果C*≥0.51％並且如果2.5％≤Cr≤3.5％，那麼如果Mo＜1.21％，則W≤0.85％，並且如果Mo≥1.21％，則W/Mo≤0.7。
5.根據權利要求4的鋼，其特徵在於C*≤1.1％。
6.根據權利要求4或權利要求5的鋼，其特徵在於W≤0.85％。
7.根據權利要求4-6任何一項的鋼，其特徵在於Si≥0.45％。
8.根據權利要求4-6任何一項的鋼，其特徵在於Si＜0.45％。
9.根據權利要求4-8任何一項的鋼，其特徵在於Mo+W/2≥2.2％。
10.根據權利要求4-9任何一項的鋼，其特徵在於Cr≥3.5％。
11.根據權利要求4-10任何一項的鋼，其特徵在於C≤0.85％。
12.根據權利要求4-10任何一項的鋼，其特徵在於C＞0.85％。
13.根據權利要求4-12任何一項的鋼，其特徵在於Ti+Zr/2＜0.7％。
14.根據權利要求4-12任何一項的鋼，其特徵在於Ti+Zr/2≥0.7％。
15.生產根據權利要求4-14任何一項的鋼的工件的方法，其特徵在於-生產具有所需組成的液態鋼，其中調整熔融鋼浴中的鈦和/或鋯的含量，並且一直防止所述熔融鋼浴中鈦和/或鋯局部濃度過量；-澆鑄所述鋼以便獲得半成品；-然後，使所述半成品通過在熱狀態中塑性形變而接受成形加工操作，並且任選地接受熱加工操作，以便獲得所述工件。
16.根據權利要求15的方法，其特徵在於通過向覆蓋所述液態鋼浴的熔渣中逐漸加入鈦和/或鋯並且使所述鈦和/或鋯在所述液態鋼浴中緩慢擴散來進行鈦和/或鋯的添加。
17.根據權利要求15的方法，其特徵在於通過在攪拌所述液態鋼浴的同時將包含鈦和/或鋯的金屬絲引入所述液態鋼浴中來進行鈦和/或鋯的添加。
18.根據權利要求4-14任何一項的鋼的工件，所述工件能夠通過根據權利要求15-17任何一項的方法獲得。
全文摘要
本發明涉及一種具有高機械強度和高耐磨性的鋼。更具體地，本發明涉及一種降低鋼的分聚接縫的方法，所述鋼具有高機械強度和高耐磨性，並具有以下重量組成0.30％≤C≤1.42％；0.05％≤Si≤1.5％；Mn≤1.95％；Ni≤2.9％；1.1％≤Cr≤7.9％；0.61％≤Mo≤4.4％；任選存在的V≤1.45％，Nb≤1.45％，Ta≤1.45％並且V+Nb/2+Ta/4≤1.45％；小於等於0.1％的硼，小於等於0.19％的(S+Se/2+Te/4)，小於等於0.01％的鈣，小於等於0.5％的稀土金屬，小於等於1％的鋁，小於等於1％的銅；剩餘的是鐵和源自所述鋼的生產的雜質。所述組成也包含800≤D≤1150，其中D＝540(C)
文檔編號C22C38/46GK1957101SQ200580016318
公開日2007年5月2日 申請日期2005年5月12日 優先權日2004年5月21日
發明者讓·貝居伊諾特, 多米尼克·維亞勒 申請人:工業鋼克魯梭公司