TWI384077B - Anti-tempering softening treatment of high-carbon tool steel and its manufacturing method - Google Patents

Description

抗回火軟化處理的高碳工具鋼及其製造方法

本發明是有關於一種高碳工具鋼，特別是指一種抗回火軟化處理的高碳工具鋼及其製造方法。

一般用於工具產品使用的鋼材需具備有高硬度及耐磨耗的性質，而具有這樣的性質且價格便宜的材料又以高碳工具鋼最受業界使用，而用於園藝花卉剪裁的工具產品多半以高碳工具鋼所製，且為了使工具產品擁有美觀的表面、潤滑基件及耐銹蝕的功能，會在工具鋼的表面施予表面處理，而該表面處理的溫度通常約為300℃。

從冶金學來看，當高碳工具鋼在300℃進行一段時間的加熱處理，就相當於使該工具鋼進行了一次回火處理(Tempering)，因此，在學理上，會造成高碳工具鋼的硬度降低，且發生軟化的現象。

為了避免工具鋼的硬度下降，添加適當的合金元素，和施予適當的熱處理，就成為業者研究的方向。

例如日本特開2006-63384發明專利案所揭露的「具有高衝擊強度的高碳鋼及其製造方法」，其高碳鋼包含：0.60~1.30質量%的碳、1.0質量%以下的矽、0.2~1.5質量%的錳、0.02質量%以下的磷、0.02質量%以下的硫，以及平衡量的鐵及不顯著之雜質，且如上經由淬火和回火處理之高碳鋼中未溶解的碳化物之體機率(Vf)需滿足8.5<15.3×15.3的碳含量-Vf<10.0的方程式，而其製造方法是將一鋼材 在760~850℃之間加熱，並持溫3~30分鐘，然後進行急冷至室溫~200℃之間，再次加熱至150~350℃之間，持溫10~180分鐘，得到平均粒徑不小於1.0μm的碳化物。

這樣的方式，雖然提高了高碳工具鋼的耐衝擊性，也提高了硬度和韌性，並使該工具鋼在顯微組織下得到微小的等軸相晶粒，但是，對於該體積率的計算方式顯得模糊不清，難以執行，且在接近300℃的加熱方式，容易引起低溫回火的脆性產生，而使得此項專利在實際生產過程中有不易操作的問題。

因此，本發明之目的，即在提供一種能夠維持彎曲性，且維持硬度或使硬度上升的抗回火軟化的高碳工具鋼及其製造方法。

於是，本發明之抗回火軟化處理的高碳工具鋼，以其總重量之百分比為100wt%計算，該工具鋼的組成成份包含0.50~1.10wt%的碳、2.0wt%以下的矽、0.20~2.0wt%的錳、0.030wt%以下的磷、0.030wt%以下的硫、2.0wt%以下的鋁、0.0005~0.0100wt%的鈣、0.3~1wt%的合金元素、平衡量的鐵，以及不顯著之雜質，其中，鈣的重量百分比對硫的重量百分比之比值小於1，且該合金元素是選自於鉻、鉬，及此等之組合。另外，該工具鋼的顯微結構包含有呈板狀之低碳麻田散鐵

本發明之抗回火軟化處理的高碳工具鋼的製造方法，包含一熱軋步驟、一熱軋冷卻步驟、一盤捲步驟、一酸洗 步驟、一退火步驟、一淬火步驟、一第一回火步驟、一第二回火步驟、一表面處理步驟，及一冷卻步驟。

該熱軋步驟是將上述之組成成份的鋼材加熱後，進行熱軋，得到一完軋鋼材。

該熱軋冷卻步驟是將該完軋鋼材進行冷卻。

該盤捲步驟是以不大於700℃的捲取溫度對經過該冷卻步驟的該完軋鋼材進行盤捲，得到一鋼捲。

該酸洗步驟是去除該鋼捲表面銹皮。

該退火步驟是將經過該酸洗步驟的鋼捲以不小於700℃進行退火處理後，進行再加工處理，得到一待加工的鋼片。

該淬火步驟是將該鋼片加熱至780℃~880℃後，進行淬火冷卻，得到一淬火鋼片。

該第一次回火步驟是將該淬火鋼片加熱至不小於300℃後，進行冷卻，得到一待回火鋼片。

該第二次回火步驟是將該待回火鋼片加熱至不小於300℃後，進行冷卻，得到一回火鋼片。

該表面處理步驟是將該回火鋼片加熱至不小於300℃，並在該回火鋼片表面進行一鍍膜處理。

該冷卻步驟是將完成表面處理步驟的該回火鋼片進行冷卻，並得到一高碳工具鋼。

本發明之功效在於：控制高碳工具鋼的組成成份中鈣對硫的重量百分比值小於1，並添加0.3~1wt%合金元素，該合金元素選自於鉻、鉬，及此等之組合，並在其製造過 程中，利用該第一次回火步驟和該第二次回火步驟，使上述的合金元素能抑制碳從麻田散鐵組織中擴散出來與細小碳化物以分散硬化的方式分佈，在顯微組織結構中得到硬度高的低碳麻田散鐵、(Fe,M)₃ C型碳化物和球狀介在物，其中，M代表鉻或鉬，如此，能保有該高碳工具鋼整體的硬度，更佳地可使其硬度上升，且同時保有整體的彎曲性。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明中，類似的元件是以相同的編號來表示。

本發明抗回火軟化處理的高碳工具鋼之第一較佳實施例，以總重量之百分比為100wt%計算，該工具鋼的組成成份包含0.87wt%的碳、0.20wt%的矽、0.40wt%的錳、0.011wt%的磷、0.006wt%的硫、0.035wt%的鋁、0.001wt%的鈣、0.36wt%的合金元素、平衡量的鐵，以及不顯著之雜質，其中，鈣的重量百分比對硫的重量百分比之比值為0.16，該比值遠小於1，且在本實施例中該合金元素為0.15wt%的鉻、0.21wt%的鉬。

上述提及的各個成份分別具有不同的作用，於本發明中，除了碳、矽、錳、磷、硫及鋁為煉鋼過程中的主要成份之外，還包含了改善機械性質的鈣、鉻及鉬，而其餘的 成份可依據實際需要進行添加，由於這些其餘的成份並非為本實施例討論的重點，故不在此詳加說明。以下是針對本實施例中提及的各種成分及其含量比例對於本發明之高碳工具鋼的影響：碳：為工具鋼中重要的強化元素，也是決定碳化物析出的重要元素，當碳含量太低時，會使碳化物不易析出，當碳含量過高時，使得該工具鋼的伸長率降低，韌性下降，所以本發明的碳含量需控制在0.5~1.10 wt%，在本實施例中碳含量為0.87wt%。

矽：為固溶強化元素，矽可延遲雪明碳鐵的析出，使得過飽和的碳得以與合金元素析出結合，產生大量奈米級的析出物，但當矽添加不足時無法得到上述效果，又添加過量時會產生帶狀紅銹，影響外觀，故在本發明中是以2.0wt%為上限，在本實施例中矽含量為0.20wt%。

錳：為工具鋼中重要的固溶強化元素，在本發明中是用來提高工具鋼的強度，但當錳含量太高時，會使工具鋼的成型性不佳，故在本發明中是以0.40wt%為上限，在本實施例中錳含量為0.4wt%。

磷：屬於鋼材中的不純物，容易在晶界上產生偏析，引發晶粒脆裂，且當磷含量過高時，容易造成熱軋時的邊裂，因此需將磷含量控制在0.030wt%以下，在本實施例中磷含量為0.011wt%。

硫：屬於鋼材中的不純物，在高溫時可能產生硫化錳，而 硫化錳受軋延後會呈長條狀，成為破壞起始源，所以硫含量需控制在0.03wt%以下，在本實施例中硫含量為0.006wt%。

鋁：主要是用來幫助煉鋼過程中，進行脫氧過程，當鋁含量太低將造成脫氧不易，而當含量過高時，將影響成型性，在本發明中是控制在2.0wt%以下，在本實施例中鋁含量為0.035wt%。

鈣：與硫的親和性佳，可與硫形成硫化鈣，取代硫化錳生成，能在晶界中控制介在物的成長，故在本發明中控制在0.0005~0.0100wt%，在本實施例中鈣含量為0.001wt%。

鉻：為提高工具鋼的硬化能與提昇耐磨性的重要元素，同時也是碳化物形成元素，可以降低回火軟化程度，故在本發明中控制在0.1~0.5wt%，在本實施例中鉻含量為0.15wt%。

鉬：為提高工具鋼硬化能與析出強化的元素，同時在回火時可阻止麻田散鐵中碳的擴散，可有效減緩回火軟化的速度，故在本發明中控制在0.1~0.5wt%，在本實施例中鉬含量為0.21wt%。

參閱圖1，該高碳工具鋼的製造方法依序包含一熱軋步驟11、一熱軋冷卻步驟12、一盤捲步驟13、一酸洗步驟14、一退火步驟15、一淬火步驟16、一第一次回火步驟17、一第二次回火步驟18、一表面處理步驟19，及一冷卻步驟20。

該熱軋步驟11是將具有上述之組成成份的鋼材加熱後，運用一般軋延機進行熱軋，並得到一完軋鋼材。

該熱軋冷卻步驟12是將該完軋鋼材，以層流方式，進行冷卻。

該盤捲步驟13是以700℃以下的捲取溫度，經過該冷卻步驟20的該完軋鋼材進行盤捲，得到一鋼捲，在本實施例中該捲取溫度是660℃。

該酸洗步驟14是將該鋼捲以進行酸洗，用以去除該鋼捲表面銹皮。

該退火步驟15是將經過該酸洗步驟14的鋼捲以不小於700℃進行退火處理，進行再加工處理，得到一待加工的鋼片，本步驟是用來消除該鋼捲在該熱軋步驟11中所形成的應力，在本實施例中該退火溫度是740℃。

搭配參閱圖2，該淬火步驟16是將該鋼片加熱至810℃，並持溫30分鐘，使碳及合金元素能充份固溶於沃斯田鐵中，然後在15分鐘內，在油中，淬火冷卻至30℃的室溫，得到一淬火鋼片，該淬火鋼片的顯微組織為硬度很高的高碳麻田散鐵。沃斯田鐵在淬火冷卻過程中，在通過麻田散鐵的生成溫度200℃時，開始變態生成板狀及條狀的麻田散鐵，麻田散鐵是工具鋼中硬度最高的金相組織，故存在大量的麻田散鐵，是工具鋼必備的基本條件。

該第一次回火步驟17是將該淬火鋼片加熱至310℃後，持溫30分鐘後，在15分鐘內，透過保護性氣體氣冷的方式，冷卻至30℃的室溫，得到一待回火鋼片。在此步驟 鉻、鉬及此等之組合的合金元素，能抑制碳從高碳麻田散鐵擴散出來的速度，使麻田散鐵仍能保持其正方性，故可維持整體高硬度。

該第二次回火步驟18是將該待回火鋼片加熱至310℃後，持溫280分鐘後，在15分鐘內，以透過保護性氣體氣冷的方式，進行冷卻，得到一回火鋼片。在此步驟是使高碳麻田散鐵轉變成低碳麻田散鐵及(Fe,M)₃ C碳化物，同時合金元素亦能阻擋碳化物的成核及成長，使碳化物在高溫回火仍能保持均勻分布的細小顆粒，得到平均粒徑1.0μm以下的碳化物。

在此一提的是，當鈣的重量百分比對硫的重量百分比的比值不小於1時，硫化錳會散佈形成於麻田散鐵晶體內與晶界上且呈長條狀的介在物，然而，長條狀的介在物提供裂縫在晶體內與兩晶界上生長的適當途徑，而容易產生內裂或發生沿晶破裂的現象，但當鈣的重量百分比對硫的重量百分比的比值小於1時，可形成球狀複合型的介在物。如此，可避免在晶體內產生裂縫，或發生沿晶破裂的現象，進而，藉此有效降低彎曲成形時的加工破裂機會，將完成此步驟的回火鋼片進行硬度值測試，得到硬度值為HRC 54.1。

該表面處理步驟19是將該回火鋼片，進行噴砂處理後，加熱至300℃，並在該回火鋼片表面進行10分鐘的鐵氟龍塗覆，但也可在噴砂處理後，採用蒸鍍法在該回火鋼片表面進行氮化鈦蒸鍍，而這些表面處理為所屬技術領域者 熟知的技術，故在此不再繼續說明。

該冷卻步驟20是將完成表面處理步驟19的該回火鋼片以空冷的方式進行冷卻，並得到一高碳工具鋼，將完成此步驟的高碳工具鋼片進行硬度值測試，得到硬度值為HRC 55.2，與完成第二次回火步驟18的回火鋼胚比較，硬度值確實有顯著的上升。

如上所述，本實施例的該高碳工具鋼利用鈣的重量百分比對硫的重量百分比之比值小於1，和0.3~1wt%的合金元素(選自於鉻、鉬，及其組合)，並經過第一次和第二次回火步驟17、18後，能有效的得到低碳麻田散鐵以及分散硬化的(Fe,M)₃ C碳化物，使整體硬度提升，避免回火後產生的軟化現象，且能避免介在物形成長條狀，並降低介在物的長寬比，減少在晶體內與晶界上有破裂的現象發生。

本發明高碳工具鋼的製造方法之第二較佳實施例，大致上是與該第一較佳實施例相同，其中不相同之處在於：一第一次回火步驟17、一第二次回火步驟18，及一表面處理步驟19。

參閱圖3，該第一次回火步驟17是將該淬火鋼片加熱至350℃後，持溫480分鐘後，在15分鐘內，透過保護性氣體氣冷，冷卻至30℃的室溫，得到一待回火鋼片。

該第二次回火步驟18是將該待回火鋼片加熱至350℃後，持溫480分鐘後，在15分鐘內，透過保護性氣體進行冷卻，得到一回火鋼片，該回火鋼片得到硬度值為HRC 55.59。

該表面處理步驟19是將該回火鋼片，進行噴砂處理後，加熱至310℃，並在該回火鋼片表面進行10分鐘的鐵氟龍塗覆。

將經過該表面處理步驟19和冷卻步驟20的高碳工具鋼進行硬度值的測量，得到硬度值為55.11，雖略有下降，但下降幅度並不大，仍為一般業者能使用的範圍內。

將上述的第一實施例之製造方法，以不同成份的實驗例和多個比較例和習知進行比對，得到表一中每一鋼種的成份分佈及表二中每一鋼種的機械性質：

在表一中顯示，習知1是不添加鉻和鉬，也不添加鈣；習知2是添加0.15wt%的鉻，不添加鈣和鉬；習知3是添加0.16wt%的鉻，但不添加鈣和鉬，習知1的組成成份在此是作為一基準比較值，用來作本發明鈣、鉻和鉬的條件比 對。

比較例1是添加0.002wt%的鈣，且添加0.15wt%的鉻，但不添加鉬，其鈣的重量百分比對硫的重量百分比之比值為0.33，該值小於1，但鉻含量與鉬含量之總添加量小於0.3wt%；比較例2是添加0.008wt%的鈣，且添加0.15wt%的鉻，及添加0.2wt%的鉬，其鈣的重量百分比對硫的重量百分比之比值為1.14，該值大於1。

實驗例1是添加0.001wt%的鈣，且添加0.15wt%的鉻，並添加0.21wt%的鉬，其鈣的重量百分比對硫的重量百分比之比值為0.16，該值小於1，鉻含量與鉬含量之總添加量為0.36wt%；實驗例2是添加0.001wt%的鈣，且不添加鉻，但添加0.4wt%的鉬，其鈣的重量百分比對硫的重量百分比之比值為0.14，該值小於1，鉻含量與鉬含量之總添加量為0.4wt%；實驗例3是添加0.003wt%的鈣，且添加0.15wt%的鉻，並添加0.20wt%的鉬，其鈣的重量百分比對硫的重量百分比之比值為0.42，該值小於1，鉻含量與鉬含量之總添加量為0.35wt%。

參閱表二，為依照表一的工具鋼組成成份，並以本發明的製造方法實施後，進行機械性質測試：

藉由表二可以得知，以表一所列的各組成份利用本發明抗回火軟化處理的高碳工具鋼之製造方法進行時，在經 過表面處理步驟19後，習知1~2和比較例1的硬度值，皆低於工具鋼基本要求的硬度(HRC50±2)，而習知1~3和比較例1的硬度值皆呈現下降，顯示不但硬度值過低，且有回火軟化的現象，而其抗回火軟化的增加量也都明顯的過低，並呈現負值。而從顯微組織的觀察中得到，習知1和比較例1，在顯微組織內並沒有硬度高的麻田散鐵的存在，只有硬度低的波來鐵和球狀介在物存在，因此，導致整體的硬度過低，故在彎曲試驗時，呈現無彎曲裂痕的狀態。

相較於習知1~3和比較例1，將比較例2和本發明之實驗例1~3利用本發明抗回火軟化處理的高碳工具鋼之製造方法進行，且在經過表面處理步驟19後，顯現比較例2和本發明之實驗例1~3的硬度值皆大於工具鋼基本要求的硬度(HRC50±2)，且其抗回火軟化的增加量也都有明顯增加，並呈現正值，而本發明的實驗例1~3的顯微組織則分佈著硬度高的低碳麻田散鐵組織，和分散硬化的(Fe,M)₃ C型的碳化物，及提高韌性的球狀介在物，因此，在作彎曲試驗時，還能保有原來的高硬度，並具有良好的彎曲性質，但是，在該比較例2中鈣重量百分比對硫重量百分比的比值為1.14，該比值大於1，使得該比較例2的顯微組織內有長條狀的介在物產生，因此，容易發生晶體內與晶界的破裂現象，導致彎曲性下降，容易形成彎裂。

歸納上述，本發明之抗回火軟化處理的高碳工具鋼，利用鈣的重量百分比對硫的重量百分比之比值不大於1，並 添加0.3~1wt%合金元素為鉻、鉬，及此等之組合，並在其製造過程中，利用該第一次回火步驟17和該第二次回火步驟18，使該合金元素能抑制碳從麻田散鐵組織中擴散出來.與細小碳化物以分散硬化的方式分佈，在顯微組織結構中得到硬度高的低碳麻田散鐵、(Fe,M)₃ C型碳化物和球狀介在物，如此能保有該高碳工具鋼整體的硬度，更佳地，可使其硬度值上升，且同時保有整體的彎曲性，故確實能達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11‧‧‧熱軋步驟

12‧‧‧熱軋冷卻步驟

13‧‧‧盤捲步驟

14‧‧‧酸洗步驟

15‧‧‧退火步驟

16‧‧‧淬火步驟

17‧‧‧第一次回火步驟

18‧‧‧第二次回火步驟

19‧‧‧表面處理步驟

20‧‧‧冷卻步驟

圖1是一流程圖，說明本發明抗回火軟化處理的高碳工具鋼之製造方法；圖2是一曲線圖，說明本發明抗回火軟化處理的高碳工具鋼之製造方法的第一較佳實施例，且說明該淬火步驟到該第二次回火的溫度時間關係；及圖3是一曲線圖，說明本發明抗回火軟化處理的高碳工具鋼之製造方法的第二較佳實施例，且說明該淬火步驟到冷卻步驟的溫度時間關係。

11‧‧‧熱軋步驟

12‧‧‧熱軋冷卻步驟

13‧‧‧盤捲步驟

14‧‧‧酸洗步驟

15‧‧‧退火步驟

16‧‧‧淬火步驟

17‧‧‧第一次回火步驟

18‧‧‧第二次回火步驟

19‧‧‧表面處理步驟

20‧‧‧冷卻步驟

Claims (10)

1. 一種抗回火軟化處理的高碳工具鋼，以其總重量之百分比為100wt%計算，該工具鋼的組成成份包含：0.50~1.10wt%的碳、2.0wt%以下的矽、0.20~2.0wt%的錳、0.030wt%以下的磷、0.030wt%以下的硫、2.0wt%以下的鋁、0.0005~0.0100wt%的鈣、0.3~1wt%的合金元素、平衡量的鐵，以及不顯著之雜質，其中，鈣的重量百分比對硫的重量百分比之比值小於1，且該合金元素是選自於鉻、鉬，及此等之組合；另外，該工具鋼的顯微結構包含有呈板狀之低碳麻田散鐵。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之抗回火軟化處理的高碳工具鋼，其中，該合金元素的鉻含量是0.1~0.5wt%，且鉬含量是0.1~0.5wt%，並使該合金元素的總含量大於0.3wt%。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之抗回火軟化處理的高碳工具鋼，該工具鋼的顯微結構還包含有球狀介在物，另外，該低碳麻田散鐵具有平均粒徑不大於1.0μm的碳化物。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之抗回火軟化處理的高碳工具鋼，其中，該碳化物為(Fe,M)₃ C型結構，該Fe是鐵，該C是碳，該M是選自於鉻、鉬，及此等之組合。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之抗回火軟化處理的高碳工具鋼，其中，該低碳麻田散鐵組織呈條狀。
6. 一種用於製造如申請專利範圍第1項所述的抗回火軟化處理的高碳工具鋼之製造方法，包含：一熱軋步驟，將一如申請專利範圍第1項之組成成份的鋼材加熱後進行熱軋，得到一完軋鋼材；一熱軋冷卻步驟，將該完軋鋼材進行冷卻；一盤捲步驟，以700℃以下的捲取溫度對經過該冷卻步驟的該完軋鋼材進行盤捲，得到一鋼捲；一酸洗步驟，去除該鋼捲表面銹皮；一退火步驟，將經過該酸洗步驟的鋼捲以不小於700℃進行退火處理，進行再加工處理，得到一待加工的鋼片；一淬火步驟，將該鋼片加熱至780℃~880℃後，進行淬火冷卻，得到一淬火鋼片；一第一次回火步驟，將該淬火鋼片加熱至不小於300℃後，進行冷卻，得到一待回火鋼片；一第二次回火步驟，將該待回火鋼片加熱至不小於300℃後，進行冷卻，得到一回火鋼片；一表面處理步驟，將該回火鋼片加熱至不小於300℃，並在該回火鋼片表面進行一鍍膜處理；及一冷卻步驟，將完成表面處理步驟的該回火鋼片進行冷卻，並得到一高碳工具鋼。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之抗回火軟化處理的高碳工具鋼之製造方法，其中，該淬火步驟是將該鋼片加熱至810℃，且該第一次回火步驟的加熱溫度為300~350 ℃，該第二次回火步驟的加熱溫度為300~350℃。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之抗回火軟化處理的高碳工具鋼之製造方法，其中，該熱軋冷卻步驟是以層流冷卻方式進行，該冷卻步驟是透過保護性氣體進行冷卻。
9. 依據申請專利範圍第8項所述之抗回火軟化處理的高碳工具鋼之製造方法，其中，該表面處理步驟是在該回火鋼片表面塗覆鐵氟龍。
10. 依據申請專利範圍第8項所述之抗回火軟化處理的高碳工具鋼之製造方法，其中，該表面處理步驟是在該回火鋼片表面進行氮化鈦蒸鍍。