專利名稱：鉻鋼合金的制作方法
縫紉機的最新進展已經(jīng)決定性地改變了工業(yè)用縫紉針的性能要求。目前，縫紉機用的工業(yè)用針由含約0.8-1.1％碳的碳鋼制造。這種針接觸濕空氣容易生成腐蝕點，為此其應(yīng)用受到嚴重的限制。為了改善耐腐蝕性能，避免腐蝕，對針進行電鍍法涂層，例如在旋轉(zhuǎn)滾筒中進行。鎳和/或鉻通過陰極沉積成為涂層。其中，鍍層厚度往往很不同，其中臨界位置，例如在針孔，尖端或絲槽處經(jīng)常會鍍得很薄。但是，正是在這些范圍內(nèi)會在運行時發(fā)生比較嚴重的磨損。另外，也不希望鍍層受到磨損，因為我們知道，鎳本身在很低濃度下是一種強過敏反應(yīng)性金屬。
電鍍法的另一個缺點是，在電鍍池中進行陰極金屬離析時可能會在針材料中引入氫氣。這種氫氣會強烈地提高脆性，由此會引起可怕的針斷裂導(dǎo)致機器可能隨后產(chǎn)生損壞。
為了經(jīng)濟地制備針，可加工性具有重要的意義。這一點特別適用于制備細針。目前應(yīng)用的含有最高1.1％碳的碳鋼還可滿足這一條件，其中在碳含量高于1％的白熱狀態(tài)下，加工絲槽和針孔時就可能會出現(xiàn)困難。這種碳鋼在特別的熱處理后達到的硬度最大為800-840HV1。
但是溫度穩(wěn)定性，即熱處理后硬度的保持，仍然是不夠的。在加熱到300℃時，硬度可能降低多于200HV1單元(10HRC單元)。在完全的硬度下還存在例如在電鍍法涂敷時對吸收氫氣的敏感性。即使很低的氫氣含量已經(jīng)可能使只用碳穩(wěn)定的馬氏體的結(jié)構(gòu)脆化，導(dǎo)致斷裂危險性增加。對于細針而言，這一點特別關(guān)鍵。至今，高合金鋼的優(yōu)點基于在針孔和絲槽的微加工和精細加工時的困難以及合金元素的協(xié)調(diào)性不足的原因而不能加以利用。
新的針材料的要求主要是通過縫紉機的效率提高來確定。因此，發(fā)展的方向是在縫紉機具有簡單的可操作性和較長的使用壽命的同時，提高縫紉的經(jīng)濟性。為達到此目的有以下措施提高縫紉速度，改善絲的輸送，優(yōu)化縫紉腳壓力(Naehfussdruck)，可無級調(diào)整針腳寬度，在盡可能小的摩擦力的條件下具有盡可能高的穿透力。
高縫紉速度的要求只有在降低成本和提高生產(chǎn)力的經(jīng)濟壓力下才會產(chǎn)生。目前，工業(yè)上的縫紉機已經(jīng)以高于7000U/min的速度在運行。高縫紉速度(即高針腳數(shù))導(dǎo)致針的特別高的負荷，并要求材料以及材料性能相適應(yīng)。
高縫紉速度以及與其相結(jié)合的針的特別高的負荷要求改善材料性能。這里涉及針尖的耐熱性能，由耐腐蝕和耐磨損性能組合而成的耐損耗性能，硬度，剛性，最大彎曲力和最大彎曲。
最新的研究已經(jīng)表明，在高速縫紉厚材料時，針尖的溫度會達到高至300℃。在這樣的條件下，耐損耗性能在較短的使用時間后就嚴重劣化，這也可歸因于通過電鍍涂敷沒有達到足夠的保護。
碳鋼針的很大的缺點特別是材料芯部硬度的下降和在極限負荷情況下不足的機械性能。只由碳穩(wěn)定的基體在較高溫度下常常不能抵抗變形。由此大大減小了針的壽命。變形又大大提高了縫紉機損壞的危險。
工業(yè)用針應(yīng)該具有高的材料芯部硬度和盡可能高于300℃的高耐熱性能。
作為由耐磨損性能和耐腐蝕性能組成的綜合性能的耐損耗性能應(yīng)該很好，盡可能不會通過與空氣和濕氣的作用以及通過與組織和纖維磨損物(Avitage，顏料，化學(xué)藥品，漂白殘余物以及其它物質(zhì))的接觸而變差。
針斷裂的危險在縫紉不同的材料時，特別是在不同材料的過渡區(qū)縫紉以及縫紉襯墊和增強物時應(yīng)該很小。
剛性的數(shù)值S，表示為商Fmax/Smax(最大的彎曲力/最大彎曲)，應(yīng)該很高并且具有盡可能小的偏差。針的直到斷裂的完全彎曲應(yīng)該在1.5-2.5mm且不超過3.0mm。
針的制備應(yīng)該是成本上有利的，環(huán)境友好的并且簡單的。成型和熱處理應(yīng)該可以用常規(guī)設(shè)備來進行。由硬金屬制成的針(德國公開說明書38 19 481)不滿足這些條件，因為成型必須應(yīng)用金剛石磨具，針孔必須借助電火花燒蝕來完成。
用于中等縫紉速度的針由具有簡單的合金結(jié)構(gòu)且加工性能良好的金屬絲制備。有利于成本的制備是材料選擇時起決定性的方面。常用含有約0.8-1.1％碳的碳鋼，相當于例如材料號為1.1545的鋼。目前為制備高要求的針，使用由上述碳范圍組成的金屬絲。但是，這里已經(jīng)出現(xiàn)了加工性的極限。
為制備工業(yè)用針，金屬絲主要借助無切屑的成型工藝來制備。其中，首先加工柄和針頸，借助壓力擠出，以及使針孔平整并成型。然后，矯正針并借助滾壓工藝引入絲槽。作為進一步的加工步驟接著進行精細加工針孔和磨針尖。此后，隨后用回火處理，偶爾也結(jié)合深度冷卻工藝，以進行淬火。由此縫紉針的硬度達到約60HRC。接著還進行針尖的細磨，清洗和用鎳和/或鉻進行電鍍涂敷。電鍍涂敷在供應(yīng)有直流電的旋轉(zhuǎn)的塑料容器中進行，其中陰極電流導(dǎo)線接入塑料容器的內(nèi)部，在此與針接觸。作為電解質(zhì)經(jīng)常用酸性的鉻酸鹽(Cr6+)溶液。這樣在通常事先離析的鎳層上離析出薄的鉻即硬鉻層。
涂敷時可能會在針的材料的晶格中擴散有很輕的氫氣，由此淬火的碳鋼可能受到嚴重的脆化。這又導(dǎo)致針的斷裂敏感性提高以及高縫紉速度時失效的危險提高。
氫氣脆化的缺點可以通過應(yīng)用物理的涂敷方法，例如PVD(物理揮發(fā)沉積)方法來避免。這種方法主要在真空或低壓下進行，需要300-500℃的溫度。但是這種相對高的溫度導(dǎo)致對針-由于其低的合金金屬量-在熱性能上要求苛刻，基體硬度(材料芯部硬度)下降。由此尖端的耐壓性能變差。
為了實現(xiàn)盡可能大的耐壓性能和硬度，德國公開說明書38 19 481建議，機器針的針柄和尖端由超細晶粒硬金屬制備。這種高硬度針柄應(yīng)該借助冷沖擠壓成型與針棒(Nadelkolben)連接，其中為了成型絲槽和針孔而進行侵蝕。但是，這種昂貴的成型工藝的高成本以及用于侵蝕加工所需大量的時間消耗不能滿足經(jīng)濟性大量生產(chǎn)的標準，因此也沒有得到實施。
還曾經(jīng)嘗試應(yīng)用已知的添加鉬和其它合金元素的不銹鋼來制備工業(yè)用針。借此會改善特別是耐腐蝕性能。但是，這種由常規(guī)的不銹鋼制備的針很難加工，不能實現(xiàn)必需的表面硬度。與已知的碳鋼相比，特別是在高塑性變形的同時較小的剛性是一個主要的缺點。
因此，為了提高表面硬度，德國公開說明書2 054 671建議，機針由不銹鋼制備并且遭到損耗的部分事后通過滲氮加以硬化。
這種設(shè)計也不能實施，因為基于高滲氮溫度而發(fā)生翹曲，并且只有幾微米厚的鍍層不能改善耐壓性能。通過矯正對翹曲加以的校準一般不能有利地實施，因為那會導(dǎo)致層中出現(xiàn)裂縫并由此形成斷裂處。
本發(fā)明的目的在于，提供一種不含有鎳或含有少量鎳的合金，用來制備不銹的耐損耗的針，特別是工業(yè)用針。這種合金具有改善的加工性能，在硬化和熱處理狀態(tài)下改善的剛性，改善的耐熱性能以及優(yōu)異的耐磨損性能和耐腐蝕性能。
這種合金含有0.4-0.75％碳，0.4-1.6％錳，12-19％鉻，最高0.2％鎳，最高0.7％硅，0.5-1.5％鉬，最高1.5％鎢，0.05-0.3％釩，鈦和鈮，0.02-0.15％硫，最高0.1％氮，
最高0.008％硼其余是鐵和冶煉引起的雜質(zhì)。
優(yōu)選的實施方案含有0.6-0.7％碳，17-19％鉻，0.03-0.1％硅，0.5-0.8％錳，最高0.1％鎳，1-1.5％鉬。
此外，優(yōu)選這種合金——單獨含有或兼有——在每種情況下至少0.10％硅，0.05％鎢，0.01％鈦以及在每種情況下共0.05％釩和鈦和/或0.05％釩和鈮。
這種合金優(yōu)選以下列比例為特征K1＝30×(％C+％N)/(％Cr+％Mo)＝0.9-1.25.
這種合金的另一個特征是可以用硫以及碳和氮來協(xié)調(diào)硫化物生成組分錳和鈦。特別有利的性能在下列極限內(nèi)得到K2＝10×％S/(％C+％N)＝0.35-1.50和/或K3＝(％Mn+％Ti)/％S＝5-30.
這些關(guān)系式表明了硫與碳和氮的總量的關(guān)系以及與錳和鈦的相互作用。
特別有利的是合金的下列性能-可用成型工具，特別是借助于沖壓和穿孔工具進行的良好的加工性能。
-通過合金元素鉻和鉬達到的高耐腐蝕性能。這種高的耐腐蝕性能使得舍棄昂貴的和加重環(huán)境負擔的電鍍涂層工藝(鍍鉻)成為可能。
-消除了電鍍涂敷時可能出現(xiàn)的氫氣脆化。在吸收氫氣的情況下，針可能不同程度地嚴重脆化，由此斷裂危險嚴重增加。
-在通常的熱處理(硬化)工藝后的高耐損耗和耐磨損性能以及硬度。
優(yōu)良的耐損耗性能和必需的硬度通過基體的高強度以及其中精細分布的碳化物和/或碳氮化物來實現(xiàn)。基體的機械性能主要通過溶解的合金元素組分來確定，可以通過優(yōu)選在鎳含量低于0.1％時特別協(xié)調(diào)鉻，鉬，碳和氮的含量來調(diào)節(jié)。
-在彎曲力、彎曲和針的剛性偏差低的同時，硬化的針具有很小的塑性變形性。
針的剛性用最大彎曲力與最大彎曲的比來表示。這一數(shù)值通過合金元素錳和鈦與硫的比值以及碳和氮與鉻和鉬的比值來確定。
-最大彎曲，最大彎曲力以及針的剛性的值的偏差小。
這種合金不含有鎳或含有少量的鎳，因此具有特別低的過敏反應(yīng)潛在性的特征；因此也適合在高溫下經(jīng)受侵蝕性化學(xué)清洗劑或消毒劑的醫(yī)療用針。
但是，按本發(fā)明的材料也適合制備其他類型的針，例如工業(yè)用針。
下面借助實施例對本發(fā)明進一步闡述。
表1
E5額外還有0.006％B和0.04％Nb。
表2
評價0 無銹斑KFW-試驗 0-1 在一些部位有銹斑1 局部堆積地生成銹1-2 相互連接的銹斑2-4 50至約80％的表面由銹覆蓋4-6 80至100％的表面由銹覆蓋總評價 優(yōu)良沒有本質(zhì)的改變周期 較好輕微倒圓的棱角和尖端差 嚴重磨損和棱角倒圓有斑點* 由于電鍍層脫落而產(chǎn)生的無光澤部位n.b.未確定表1中比較列出了傳統(tǒng)的合金A1-A3和C1-C3，以及6個按本發(fā)明的合金E1-E6.
用這些試驗合金在濕氣中進行根據(jù)DIN 50017的KFW-試驗并隨后在旋轉(zhuǎn)容器中進行30或60分鐘的耐磨試驗確定總耐損耗性能的研究。作為樣品采用以通常方式硬化和磨光的直徑為1mm的銷釘和電鍍有鎳層的工業(yè)用針。KFW-試驗用于確定樣品在人工氣候室的冷凝水-交換氣氛中的耐腐蝕性能。其中樣品存放在40C，100％相對濕度的空氣中8小時。然后，樣品經(jīng)過16小時緩慢降溫至室溫，測定銹蝕情況。在隨后的耐磨試驗中，視覺觀察評價樣品表面的變化并測量質(zhì)量損失。
樣品的彎曲行為用Schimatzu公司的F 33試驗機以2.5mm/min的彎曲速度來測定。由相應(yīng)的力/彎曲圖表得到或計算剛性S，F(xiàn)max和Smax。
試驗數(shù)據(jù)列在下表III和IV中。
表3
E5額外還有0.006％B和0.04％Nb。
表4
E5注明還有0.006％B和0.04％Nb。
這兩個表的數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明的合金E1-E6在具有優(yōu)良的加工性能的同時具有高剛性S的特征。
對此作了最大彎曲力與彎曲關(guān)系的圖解說明，其中與傳統(tǒng)的試驗合金B(yǎng)1-B3和C1-C3以及已知的硬金屬相比，本發(fā)明的合金E1-E6處于韌性范圍內(nèi)。
本發(fā)明的范圍用E說明。其特征為，硬化后，針處于韌性范圍。用B說明含有0.88％至＞1％碳的鋼的試驗結(jié)果。B1表明氫氣引起的脆化的范圍。在這些脆化范圍內(nèi)，最大的可能的彎曲力和彎曲具有大幅度降低的值。
范圍C涉及用于具有強塑性變形組分的已知的不銹鋼的性能。這種鋼存在的危險是，在高縫紉速度下會由于針的殘留的彎曲而嚴重損壞縫紉機。
范圍D說明作為比較的硬金屬的性能。但是，這種材料對于作針材料的實際應(yīng)用來說是太脆了。
如

圖1的圖解表明(也參照表III)，本發(fā)明的合金將彎曲性能有利地保持在很窄的范圍內(nèi)。本發(fā)明的有利于用作工業(yè)用針的合金(圖1中的E)其特征為，基體具有高合金含量，同時還可以有利地用碳化物，氮化物和碳氮化物來對其加以協(xié)調(diào)。這種協(xié)調(diào)特別通過比值K1，K2和K3來定義。
耐損耗性能的結(jié)果列在表II中。對總損耗特別不利的是在磨損的同時存在高的空氣濕度。通過雙重負荷導(dǎo)致針的損耗增強。這種條件正是在熱帶國家經(jīng)常遇到的。在這種條件下，電鍍涂層不能提供足夠的保護，因為在鍍層剝蝕后會出現(xiàn)增強的腐蝕。
與此相反，本發(fā)明的試驗合金E1-E6在選擇的條件下只表現(xiàn)出最小的損耗。這歸因于，除了合金含量的協(xié)調(diào)之外，還滿足了關(guān)于因素K1，K2和K3的標準，并且基體非常耐損耗。
權(quán)利要求
1.一種鉻鋼合金，含有0.4-0.75％碳，0.4-0.8％錳，14-19％鉻，最高0.1％鎳，最高0.4％硅，0.5-1.5％鉬，0.05-0.2％釩，鈦和鈮，0.025-0.15％硫，最高0.1％氮，其余是鐵和冶煉引起的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1的鉻鋼合金，但是含有0.6-0.7％碳，17-19％鉻，0.03-0.1％硅。
3.權(quán)利要求1或2的鉻鋼合金，但是滿足下面的條件K1＝30×(％C+％N)/(％Cr+％Mo)＝0.9-1.25。
4.權(quán)利要求1-3之一的鉻鋼合金，但是滿足下面的條件K2＝10×S/(％C+％N)＝0.35-1.50。
5.權(quán)利要求1-4之一的鉻鋼合金，但是滿足下面的條件K3＝(％Mn+％Ti)/S＝5-30。
6.權(quán)利要求1-5之一的鉻鋼合金的用途，用作制備必須單獨具有或兼有優(yōu)良的加工性能，耐腐蝕性能，耐磨損性能，高至300℃或更高的耐熱性能，以及高的剛性的物件的材料。
7.權(quán)利要求1-6之一的鉻鋼合金在硬化后使用。
8.權(quán)利要求1-7之一的鉻鋼合金在用作制備工業(yè)或醫(yī)療用針的材料方面的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含有0.4－0.75％碳，0.4－1.6％錳，12－19％鉻，最高0.2％鎳，最高0.7％硅，0.5－1.5％鉬，最高1.5％鎢，0.05－0.3％釩和(％Ti/％Nb)，0.02－0.15％硫，最高0.1％氮，最高0.008％硼，其余是鐵和冶煉引起的雜質(zhì)的鉻鋼合金。這種鉻鋼合金以優(yōu)良的加工性能，耐腐蝕性能，耐磨損性能，高至300℃或更高的耐熱性能以及高的剛性而出眾。
文檔編號B21G1/00GK1395625SQ01803830
公開日2003年2月5日 申請日期2001年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月17日
發(fā)明者G·克勞斯－尤利茨科, G·施納貝爾, O·帕克埃爾 申請人:艾格斯特韋斯蒂格鋼鐵廠有限公司