專(zhuān)利名稱(chēng)：耐磨鋼和由耐磨鋼制成的織機(jī)零件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在曝露在磨料磨損的狀態(tài)下，具有非常好的耐磨性和耐腐蝕性的鋼，和一種與纖維接觸時(shí)，可能磨損的織機(jī)零件(例如，扁鋼綜片，停經(jīng)片，筘齒或孔道鋼筘)。
到目前為止，高強(qiáng)度鋼(例如刀具鋼或工具鋼)已經(jīng)用于需要耐磨性的各種用途，例如與線接觸時(shí)會(huì)受到磨損的織機(jī)零件，和與其它零件接觸時(shí)，會(huì)受到磨損的電氣或電子零件。當(dāng)考慮使用環(huán)境時(shí)，耐腐蝕性也是對(duì)這種鋼的要求之一。
根據(jù)使用環(huán)境的不同，雖然刀具、工具、織機(jī)零件、電氣零件或電子零件的壽命會(huì)有很大變化，但是，鋼材的耐磨性對(duì)壽命影響最大?？紤]到這點(diǎn)，金相結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)淬火或冷加工硬化的碳鋼，可以用于制造所需要的耐磨零件。
到目前為止，已經(jīng)將不銹鋼SUS 420J2淬火制成的結(jié)構(gòu)硬化的鋼用作織機(jī)零件(例如，扁鋼綜片、停經(jīng)片，筘齒和孔道鋼筘)。隨著用于制造各種織物的纖維材質(zhì)的改善，和為了提高生產(chǎn)率而進(jìn)行的高速加工，織機(jī)零件面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的磨損環(huán)境。因此，零件的使用壽命越來(lái)越短，必須頻繁更換新的零件。
由于磨損是在非常復(fù)雜的機(jī)理作用下產(chǎn)生的現(xiàn)象，目前，對(duì)于磨損零件上的磨損原因尚未清楚，但是，一般估計(jì)，高強(qiáng)度鋼具有必要的耐磨性，可用于制造磨損零件。簡(jiǎn)而言之，鋼制零件的壽命要在該零件實(shí)際上在現(xiàn)有機(jī)械上工作的狀態(tài)下進(jìn)行評(píng)估。因此，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)選擇合適的鋼種，而選擇合適鋼種也是較困難的。
鋼的耐磨性可通過(guò)結(jié)構(gòu)硬化或加工硬化而改善。然而，隨著為了提高生產(chǎn)率而使用高速加工，或使用韌性的加工材料，磨損環(huán)境變得越來(lái)越嚴(yán)峻。這種嚴(yán)重的磨損環(huán)境，降低鋼制零件的壽命，結(jié)果需要經(jīng)常更換鋼制零件和會(huì)產(chǎn)生由磨損造成的損壞。磨損造成的損壞是隨磨損條件而變化的，而材料硬度并不總是與鋼制零件的壽命成比例的。因此，充分認(rèn)識(shí)在使用環(huán)境中的磨損機(jī)理，開(kāi)發(fā)出適合于這種環(huán)境的鋼種是很重要的。
本發(fā)明是為了滿足上述要求而提出的，其目的是要提供一種新的鋼材，該鋼材通過(guò)將堅(jiān)硬的碳化物沉積物，分散在鋼材基體中，而具有充分的耐受磨料磨損的能力。另外，本發(fā)明的目的還要提供一種由即使在嚴(yán)重磨損條件下，也具有非常好的耐磨性的鋼制成的，使用壽命長(zhǎng)的織機(jī)零件。
新提出的鋼基本上由8.0重量％～35.0重量％的Cr，0.05重量％～1.20重量％的C，0.05重量％～3.0重量％的Ti、Nb、Zr、V和W中的至少一種元素，該鋼的結(jié)構(gòu)中，將在鋼材基體中分布的Ti、Nb、Zr，V和/或W的碳化物沉積物的總量，調(diào)整至0.1重量％或更多。
根據(jù)本發(fā)明的織機(jī)零件由一種鋼制成，該鋼基本上由8.0重量％～35.0重量％的Cr，0.05重量％～1.0重量％的C，小于1.0重量％的Si，小于1.0重量％的Mn，0.05重量％～1.0重量％的Ti和0.05重量％～1.50重量％的Nb中的一種或兩種元素(在總量為0.05重量％～2.0重量％的條件下)，和除了不可避免的雜質(zhì)以外，其余為Fe組成。該鋼的結(jié)構(gòu)中，將分布在鋼材基體中的Ti和/或Nb的碳化物沉積物的總量，調(diào)整至0.1重量％或更多。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為表示硬度與磨損系數(shù)之間的關(guān)系示意圖；圖2為表示碳化物沉積物總量對(duì)磨損系數(shù)影響的示意圖3為表示Ti和Nb碳化物(碳化鈦和碳化鈮)沉積物的總量對(duì)耐磨性的影響的示意圖。
發(fā)明人收集了許多由磨損損壞的樣件，以及要進(jìn)行磨損試驗(yàn)的試件，并用微觀的觀點(diǎn)來(lái)研究這些損壞的零件。在大多數(shù)樣件和試件中，在磨損部分上觀察到象磨削刮傷一樣的損傷。對(duì)于從織機(jī)零件中收集的樣件，在磨損部分上觀察到如直線型磨削刮傷一樣的損傷。在磨損部分附近，和面對(duì)該磨損部分的其它零件或線的表面上，發(fā)現(xiàn)有堅(jiān)硬的顆粒(例如，氧化鋁和碳化硅)的粘附。這種損傷和堅(jiān)硬顆粒的粘附表明，磨損是在有堅(jiān)硬顆粒共同存在時(shí)發(fā)生的。這種磨損稱(chēng)為“磨料磨損”，其中，與另一個(gè)零件或線接觸的一個(gè)鋼制零件，在接觸面上的上述堅(jiān)硬顆粒振動(dòng)或滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被刮擦和磨削。
在各種不同的磨損現(xiàn)象中，磨料磨損是最嚴(yán)重的磨損。因此，迫切需要提供一種能抵抗這種磨料磨損的材料。
為了改善耐磨性，發(fā)明人首先檢測(cè)了一種高碳鋼的淬硬方法。當(dāng)淬火后硬度增加時(shí)，由磨料磨損引起的重量損失略有減小，但淬硬方法不能使材料的耐磨性明顯改善。即，通過(guò)加入碳，使鋼材結(jié)構(gòu)硬化，不能充分地改善耐磨性。在用冷加工方法使鋼硬化的情況下，也不能改善鋼的耐磨性。
發(fā)明人提出的通過(guò)結(jié)構(gòu)硬化或加工硬化不能改善鋼材耐受磨料磨損能力的原因如下堅(jiān)硬的顆粒(例如，氧化鋁和碳化硅)比經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)硬化或加工硬化的鋼件堅(jiān)硬得多。由于與堅(jiān)硬的顆粒(例如，氧化鋁和碳化硅)相比，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)硬化或加工硬化的鋼件不夠堅(jiān)硬，因此，為了抑制磨料磨損，結(jié)構(gòu)硬化或加工硬化是不夠的。
在研究磨損機(jī)理和能充分耐受這種磨料磨損的材料的重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，使堅(jiān)硬的碳化物沉積物分布在鋼材基體中，可明顯地改善鋼材抗磨料磨損的能力。具體地說(shuō)，發(fā)明人從Ti、Nb、Zr、V和/或W的碳化物的硬度，幾乎與上述堅(jiān)硬的顆粒(例如，氧化鋁和碳化硅)的硬度相等的觀點(diǎn)出發(fā)，定量地研究了Ti、Nb、Zr、V和/或W的碳化物沉積物，對(duì)鋼材耐受磨料磨損的能力的影響。當(dāng)足夠量的Ti、Nb、Zr、V和/或W的碳化物沉積物分布在鋼材基體中時(shí)，與硬度相同，但沒(méi)有這種碳化物沉積物的鋼件比較，磨料磨損得到抑制，如圖1所示。
新提出的鋼含有8.0重量％～35.0重量％的Cr。如果Cr的含量小于8.0重量％，則Cr對(duì)耐腐蝕性的影響很弱。如果Cr含量超過(guò)35.0重量％，則鋼的熱加工性能惡化，導(dǎo)致制造成本增加。
該鋼含有0.05重量％或更多的C，使總量為0.1重量％或更多的碳化物沉積下來(lái)。加入C不但可以產(chǎn)生碳化物，而且可以有效地增加鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。然而，過(guò)多的加入C(超過(guò)1.20重量％)，會(huì)促使巨大的易熔的Cr碳化物大量沉積下來(lái)，這時(shí)對(duì)鋼的質(zhì)量和熱加工性能產(chǎn)生有害的影響。
至少應(yīng)加入0.05重量％～3.0重量％數(shù)量的Ti、Nb、Zr、V和W中的一種元素，使得在鋼材基體中的Ti、Nb、Zr、V和/或W的碳化物沉積物的總量，保持為0.1重量％或更多。Ti、Nb、Zr、V和/或W碳化物沉積物的下限0.1重量％，是發(fā)明人在研究碳化物沉積物對(duì)耐磨性的影響的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)臨界值。當(dāng)碳化物沉積物的總量保持為0.1重量％或更多時(shí)，與沒(méi)有碳化物沉積物的鋼比較，該鋼顯示出明顯的非常好的耐磨性?？偭繛?.1重量％或更多的Ti、Nb、Zr、V和/或W的碳化物沉積物，是通過(guò)按0.05重量％的比例，加入Ti、Nb、Zr、V和/或W而得到的。然而，加入過(guò)量的(多于3.0重量％)Ti、Nb、Zr、V和/或W，使得在煉鋼過(guò)程中，熔融鋼的流動(dòng)性很差，會(huì)產(chǎn)生金屬化合物，這時(shí)對(duì)鋼的韌性產(chǎn)生有害影響，并使鋼的成本增加。
上述的鋼還可以包含其它元素(例如，Ni、Mo和Cu)。例如，0.2重量％～5.0重量％的Ni，對(duì)于保證鋼的韌性和淬硬是有效的，0.1重量％～3.0重量％的Mo，對(duì)于保證鋼的韌性和耐腐蝕性是有效的，和/或0.2重量％～3.0重量％的Cu對(duì)保證鋼的耐腐蝕性，和阻止由于金屬超應(yīng)力引起的腐蝕而產(chǎn)生裂紋是有效的。對(duì)于上述鋼中所包含的其它成份，C的含量最好調(diào)整至0.05重量％～1.50重量％，Si的含量最好調(diào)整至0.02重量％～2.5重量％，和Mn的含量最好調(diào)整至0.02重量％～3.0重量％。
當(dāng)利用上述鋼制造一個(gè)織機(jī)零件時(shí)，為了保持在鋼材基體中分布的Ti和/或Nb的碳化物沉積物的總量為0.1重量％或更多，可以加入0.05重量％～1.0重量％的Ti和/或0.05重量％～1.50重量％的Nb中的一種或兩種元素(條件是加入量要控制在0.05重量％～2.0重量％內(nèi))?？偭繛?.1重量％或更多的Ti和/或Nb碳化物的沉積物，是通過(guò)按0.05重量％的比例，加入Ti和/或Nb而得到的。然而，過(guò)多的加入Ti(超過(guò)1.0重量％)，Nb(超過(guò)1.5重量％)或Ti和Nb的加入量超過(guò)2.0重量％，可使在煉鋼過(guò)程中，熔融鋼的流動(dòng)性很差，并產(chǎn)生金屬化合物，這會(huì)對(duì)鋼的韌性產(chǎn)生有害影響。
用于制造一種織機(jī)零件的上述鋼，還可以含有1.0重量％以下的Si和1.0重量％以下的Mn。在熔煉過(guò)程中，Si可以作為一種脫氧劑加入；但過(guò)量的Si(超過(guò)1.0重量％)會(huì)使鋼的韌性變小。Mn也可以作為熔煉過(guò)程中的另一種脫氧劑加入，但過(guò)量的Mn(超過(guò)1.0重量％)在淬火過(guò)程中，會(huì)增加殘留的奧氏體晶粒的比例，結(jié)果使鋼的硬度和韌性變小。
實(shí)施例1具有表1所示成份的各種不同的鋼，由普通的熔煉方法制造，并澆鑄成扁坯。每一塊扁坯都要經(jīng)過(guò)溶液處理，并熱軋成厚度為5毫米。熱軋鋼帶在870℃下熱處理9小時(shí)，然后在爐中冷卻。
每一塊供磨損試驗(yàn)用的試件，都是切斷的經(jīng)過(guò)退火的熱軋鋼帶。每一塊鋼帶在1100℃下加熱15分鐘，然后，冷卻至室溫。對(duì)分布在每一塊試件中的碳化物沉積物都進(jìn)行定量測(cè)定，并且檢測(cè)每一塊試件耐受磨料磨損的能力和耐腐蝕性。測(cè)定的方法和檢測(cè)的方法如下。
表1實(shí)施例中所用的鋼
<p>碳化物沉積物量的測(cè)定將含有按照溶液處理和沉積處理要求控制的比例的各種碳化物沉積物的一塊試件，浸入一種碘化物的乙醇溶液中，并利用超聲波照射，使該碳化物沉積物溶解。測(cè)定保留在該溶液中的碳化物的量。碳化物的狀態(tài)利用X-射線衍射來(lái)辨識(shí)，單個(gè)金屬元素的量利用濕法分析和氣體分析的方法測(cè)定。
由抗磨料磨損性造成的重量損失的評(píng)估耐受磨料磨損的能力，利用一臺(tái)銷(xiāo)子-圓盤(pán)式磨擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。將一個(gè)接觸表面直徑為5毫米的圓柱形試件固定在一個(gè)銷(xiāo)子上，同時(shí)，將涂有碳化硅顆粒的一張砂紙粘在一個(gè)圓盤(pán)上。對(duì)在該銷(xiāo)子上的試件，施加一個(gè)F(＝4000克力)的負(fù)載，并以0.7米/秒的摩擦速度，沿著一個(gè)距離L(＝0.5千米)，與該回轉(zhuǎn)圓盤(pán)磨擦。然后，測(cè)定該試件的重量損失W。根據(jù)評(píng)估耐磨性的公式C＝W/(L×F)，利用測(cè)出的值，可以計(jì)算磨損系數(shù)C。
耐腐蝕性的評(píng)估試件的耐腐蝕性是在該試件經(jīng)過(guò)72小時(shí)的5％鹽水噴射試驗(yàn)后，根據(jù)該試件表面上產(chǎn)生的銹斑來(lái)評(píng)估的。
試驗(yàn)結(jié)果示于表2中在Cr含量小于8重量％的比較例11～13中的任何一個(gè)試件的表面上，都產(chǎn)生銹斑；但在實(shí)施例1～10和比較例14～17的任何一個(gè)試件的表面上，沒(méi)有觀察到有銹斑產(chǎn)生。因此，根據(jù)這些結(jié)果中可以認(rèn)為，為了保證耐腐蝕性，8重量％或更多的Cr含量是必需的。
對(duì)于沒(méi)有碳化物沉積物分布的比較例11～15中的任何一個(gè)試件，磨損系數(shù)C的值都較大(在18平方毫米/千克力)×10-8以上。由于存在著與碳化物沉積物增加時(shí)，磨損系數(shù)C變小的趨勢(shì)，發(fā)明人用圖形表示了碳化物沉積物的總量與磨損系數(shù)C的關(guān)系，并且，確認(rèn)存在著如圖2所示的關(guān)系。即當(dāng)碳化物沉積物的總量增加時(shí)，磨損系數(shù)C減小，而且當(dāng)碳化物沉積物的總量為0.05重量％或更多時(shí)，磨損系數(shù)驚人地減小。通過(guò)將碳化物沉積物的總量調(diào)整至0.1重量％或更多，磨損系數(shù)可減小至小于1000平方毫米/千克力×10-8的值。這個(gè)較低的磨損系數(shù)值，小于沒(méi)有碳化物沉積物的試件的磨損系數(shù)的一半；因此證明，上述新提出的鋼的耐磨性非常好。
表2碳化物沉積物的總量對(duì)磨損系數(shù)的影響
實(shí)施例2利用普通的熔煉方法制造具有表3所示成份的各種不同的鋼，并將鋼澆鑄成扁坯。每一塊扁坯都經(jīng)過(guò)溶液處理，并熱軋至厚度為5毫米。熱軋鋼帶在870℃下熱處理9小時(shí)，然后在爐中冷卻。用一種酸對(duì)該經(jīng)過(guò)退火的鋼帶進(jìn)行酸洗，并通過(guò)重復(fù)的冷軋和退火，將該鋼帶制成厚度為0.30毫米的一種冷軋鋼帶。
表3實(shí)施例中所使用的鋼
每一塊供磨損試驗(yàn)用的試件，均為切斷的冷軋鋼帶，并制成一個(gè)扁鋼綜片作為一個(gè)織機(jī)的零件。每一塊試件均在無(wú)氧化性的氣氛中，在1050℃下，保持1分鐘，然后冷卻至室溫。
利用與實(shí)施例1中相同的方法，測(cè)定每一塊試件中的碳化物沉積物的量，和試驗(yàn)該試件的耐腐蝕性。耐腐蝕性按以下方法進(jìn)行評(píng)估。
在磨損試驗(yàn)中，將一根合成纖維線(TFD75/36F，線直徑為120微米)穿過(guò)作為試件的一個(gè)扁鋼綜片的綜眼孔；并且在該扁鋼綜片以800轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速(滑動(dòng)速度為0.1米/秒)，轉(zhuǎn)動(dòng)10小時(shí)，同時(shí)，在該合成纖維線上加一個(gè)50克的張力的條件下，使該扁鋼綜片與該合成纖維線接觸，進(jìn)行磨損。然后，測(cè)量接觸表面上的磨損深度，還要測(cè)量與該合成纖維線接觸而磨損的該綜眼部分的重量損失。每一塊試件的耐磨性可根據(jù)M(％)(＝Di/Do×100)的值進(jìn)行評(píng)估。該M值可根據(jù)每一塊試件的磨損深度Di，與作為基準(zhǔn)的不銹鋼SUS420 J2的磨損深度Do的比值計(jì)算。為了獲得比由不銹鋼SUS 420J2制成的一個(gè)通常的扁鋼綜片的耐磨性高兩倍的非常好的耐磨性，M值為50％或更小是必要的。
試驗(yàn)結(jié)果示于表4中。
在Cr含量小于8.0重量％的比較例8的試件的表面上產(chǎn)生了銹斑，但在Cr含量為8.0重量％或更高的其它例子的任何一塊試件的表面上，都沒(méi)有觀察到產(chǎn)生銹斑。根據(jù)這些結(jié)果可以認(rèn)為，Cr含量為8.0重量％或更高，是保證耐腐蝕性所必需的。Ti和Nb碳化物沉積物的總量，按小于0.1重量％的比例分布的實(shí)施例8～實(shí)施例10中任何一個(gè)實(shí)施例的M值，與普通的扁鋼綜片件(實(shí)施例11)比較，并不太小。另一方面，Ti和Nb碳化物沉積物的總量，按0.1重量％的比例分布的實(shí)施例1～實(shí)施例7中任何一塊試件的M值，均小于30％。這樣一個(gè)較低的M值意味著，由上述新提出的鋼制成的扁鋼綜片的使用壽命，比普通的扁鋼綜片的使用壽命長(zhǎng)三倍。
發(fā)明人用圖形表示了M值與Ti和Nb碳化物沉積物總量的關(guān)系，并確認(rèn)，存在著如圖3所示的關(guān)系。從圖3中可以看出，當(dāng)Ti和Nb碳化物沉積物的總量增加時(shí)，M值減??；并且，當(dāng)Ti和Nb碳化物沉積物的總量為0.1重量％或更多時(shí)，M值急劇減小。通過(guò)將Ti和Nb碳化物沉積物的總量調(diào)整至0.1重量％或更多，可使M值減小至50％或更小。這樣一個(gè)小的M值意味著，由上述新提出的鋼制成的扁鋼綜片的使用壽命，比普通的扁鋼綜片的使用壽命長(zhǎng)兩倍。
表4每一塊扁鋼綜片的碳化物沉積物的量、耐磨性和耐腐蝕性
根據(jù)上述的本發(fā)明，該新提出的鋼，通過(guò)使Ti、Nb、Zr、V和/或W的碳化物沉積物的總量，按0.1重量％的比例，在鋼材基體中分布，具有比普通的結(jié)構(gòu)硬化或加工硬化的鋼優(yōu)越得多的，非常好的耐磨性。這些碳化物的硬度，與造成磨料磨損的堅(jiān)硬顆粒(例如，氧化鋁和碳化硅)的硬度幾乎相同。由于這種非常好的耐磨性，因此，用上述鋼制成的織機(jī)零件，縫紉針，農(nóng)機(jī)零件(例如割草的齒耙或切刀刀片)可以使用較長(zhǎng)時(shí)期。特別是，Ti和/或Nb碳化物沉積物的總量是按0.1重量％或更多的比例分布的上述鋼，由于其耐磨性非常好，適合于制造織機(jī)的零件(例如，扁鋼綜片、停經(jīng)片，筘齒或孔道鋼筘)。
權(quán)利要求
1.一種耐磨性非常好的鋼，它基本上由8.0重量％～35.0重量％的Cr，0.05重量％～1.20重量％的C，0.05重量％～3.0重量％的Ti、Nb、Zr、V和W中的至少一種元素，其余基本上為Fe組成；該鋼的結(jié)構(gòu)中，將在鋼材基體中分布的Ti、Nb、Zr，V和/或W的碳化物沉積物的總量，調(diào)整至0.1重量％或更多。
2.一種由耐磨性和耐腐蝕性都非常好的鋼制成的織機(jī)零件，該鋼基本上由8.0重量％～35.0重量％的Cr，0.05重量％～1.20重量％的C，小于1.0重量％的Si，小于1.0重量％的Mn，0.05重量％～1.0重量％的Ti和0.50重量％的Nb中至少一種元素在總量為0.05重量％～2.0重量％的條件下，其余基本上為Fe組成；該鋼的結(jié)構(gòu)中，將分布在鋼材基體中的Ti和/或Nb的碳化物沉積物的總量，調(diào)整至0.1重量％或更多。
全文摘要
一種新的鋼材,它由8.0重量%～35.0重量%的Cr,0.05重量%～1.20重量%的C,0.05%重量%～3.0重量%的Ti、Nb、Zr、V和W中的至少一種元素,其余基本上為Fe組成。該鋼的結(jié)構(gòu)中,分布在鋼材基體中的Ti、Nb、Zr,V和/或W的碳化物沉積物的總量,調(diào)整至0.1重量%或更多。利用碳化物沉積物的分布,該鋼具有非常好的耐磨性。由這種鋼制成的織機(jī)零件可以使用較長(zhǎng)時(shí)期。
文檔編號(hào)D03D49/00GK1261108SQ9912499
公開(kāi)日2000年7月26日 申請(qǐng)日期1999年12月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月24日
發(fā)明者伊東建次郎, 末次輝彥, 森川廣, 山內(nèi)隆 申請(qǐng)人:日新制鋼株式會(huì)社