專利名稱：一種用于粉末冶金制備零件的工具鋼合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種用于粉末冶金制備零件，特別是工具的工具鋼(Kaltarbeitsstahl)合金，用其所制得的工具具有高的韌度和硬度以及高的耐磨性和抗材料疲勞性能。
通常對工具和工具零件的要求是多方面的，各方面要求各自的性能特性。然而調(diào)節(jié)材料的一種要求到特別合適自然地要損害材料對其它的負載的耐久性，結(jié)果對于工具的高的使用質(zhì)量就應該有多種多樣的高水平性能特性，換句話說，一種工具的使用性能是各種單個材料性能的折衷。然而出于經(jīng)濟的原因，總是期望得到的工具或零件具有總體上改善了的材料性能。
高效的工具鋼成分全部都具有碳化物的硬相份額和接受這個碳化物的基體相部分，這些相特別是對于在材料中這些相的份額方面與合金中的化學組成有關(guān)。
對于傳統(tǒng)的合金在鑄模中凝固而制備的方法，合金中的碳的含量和形成碳化物的元素的含量由于凝固動力學而受到限制，因為對于高的含量最先從熔液析出的碳化物要形成粗的不均勻的材料結(jié)構(gòu)，這樣就造成了不良的機械性能，并且對材料的可加工性產(chǎn)生不良的影響或甚至妨礙了材料的可加工性。
為了能一方面考慮到提高了的碳化物份額而提高形成碳化物元素的濃度和碳的含量及由此改進材料的耐磨性能，然而另一方面要保證成品零件或工具足夠的可加工性能，均勻性和韌度，所以要采用粉末冶金制備材料。
材料的粉末冶金(PM)制備基本上包括將鋼熔液用氣體或更確切地說氮氣噴射或分散成細微液滴，液滴以高的凝固速度固化成金屬粉末，將該金屬粉末加入到鑄模中并且在此壓縮，封閉該鑄模，在該鑄模中加熱以及熱均勻地模壓(HIP)該金屬粉末而形成致密的均勻材料。這樣制備的PM-材料能直接地熱均勻模壓地用來制備零件或工具或在這之前進行熱變形，例如通過鍛造和/或軋制。
高要求的工具或零件，例如刀具，陽模以及底模和這一類的工具根據(jù)負載同時要求材料的耐侵蝕磨損性，高的韌度和抗疲勞性能。為了降低磨損要求高含量的硬的有時粗的碳化物，優(yōu)選為單碳化物，然而隨著碳化物含量的增大材料的韌度就要降低。對于在材料處于非常高波動的或交替的機械應力下基本上不形成裂紋的抗疲勞性能又是通過高的基體硬度和較少的碳化物顆粒的起始裂紋和非金屬的夾雜物而促進的。
如上所述，零件或工具的使用質(zhì)量是在熱時效處理狀態(tài)下材料的耐磨性，韌度和抗疲勞性能的折衷。為了普遍提高工具鋼的質(zhì)量，在本專業(yè)中已試驗很長時間以總體提高鋼的性能特性。
本發(fā)明的目的是考慮到各種要求并在保證質(zhì)量的情況下提高在熱時效處理狀態(tài)下的機械特性值，即工具鋼材料的彎曲斷裂強度，沖擊彎曲功和耐磨性。
這個目的根據(jù)本發(fā)明的一種工具鋼合金而能達到，該合金含有(以重量％計)碳(C)2.05-2.65硅(Si) 上限為2.0錳(Mn) 上限為2.0鉻(Cr) 6.10-9.80鎢(W)0.50-2.40鉬(Mo) 2.15-4.70釩(V)7.05-9.0鈮(Nb) 0.25-2.45鈷(Co) 上限為10.0硫(S)上限為0.3氮(N)0.04-0.22鎳(Ni) 上限為1.50以及含量直至2.6的伴生元素和煉制過程中帶進的雜質(zhì)，鐵(Fe)為余量，用這種成分含量的合金粉末冶金制備具有高韌度和硬度以及高的耐磨性和抗材料疲勞性能的零件，特別是工具，該零件具有小于100ppm的氧(O)含量和根據(jù)德國工業(yè)標準50602檢測的Ko-值最高為3的相應的非金屬夾雜物的含量和構(gòu)型。
根據(jù)本發(fā)明通過同時考慮到組織結(jié)構(gòu)以及組織相的單一和總性能的最佳化而采取的合金技術(shù)的和方法工藝的措施而使得材料的質(zhì)量有顯著的改善。
人們已認識到，不僅僅是碳化物量而且對于同樣量的碳化物的形態(tài)學對于材料的韌度具有意義，因為這與在基體中碳化物之間的自由行程，即缺陷大小有關(guān)。在制備的特定的工具時，考慮到耐磨性，碳化物應該是基本上單碳化物，其在基體中是均勻分布的，并且具有小于10μm，優(yōu)選為小于4μm的直徑。
釩和鈮是最強烈的碳化物形成元素，出于合金技術(shù)的原因，通常釩的濃度范圍為7.05-9.0重量％，鈮的濃度范圍為0.25-2.45重量％。這樣一方面可形成單碳化物，而且形成優(yōu)越的(VNb)-混合碳化物，另一方面在這個含量范圍內(nèi)，由于釩和鈮的原因在材料中有這樣一種碳親合力，即其他的形成碳化物的元素鉻，鎢和鉬在根據(jù)本發(fā)明的濃度范圍內(nèi)可與剩余的碳用于混合結(jié)晶增強，并且提高基體硬度。高于9.0重量％的釩和/或高于2.45重量％的鈮將降低基體強度，特別是降低材料的抗疲勞性能，相反地低于7.05重量％的釩和/或0.25重量％的鈮要導致更多地形成較軟的碳化物相，如M7C3-碳化物，這就會降低鋼的耐磨性。
對于2.05-2.65重量％這么窄的碳含量范圍和根據(jù)本發(fā)明的形成單碳化物的元素的濃度下，在熱時效處理時合金的二次硬度勢能特別地通過0.5-2.4重量％的鎢和2.15-4.70重量％的鉬而能被充分利用并改善合金的耐回火性。含量為6.10-9.80重量％的鉻是用來混合晶體增強的，在此為了提高工具鋼的二次硬度和基體硬度，氮的含量為0.04-0.22重量％對本發(fā)明是重要的。
比在根據(jù)本發(fā)明中所給出的鎢，鉬和鉻的含量范圍更高或更低的含量都會妨礙協(xié)同作用，至少降低工具鋼的性能，并且有時對工具鋼的可應用性產(chǎn)生不良的影響。
如本文開頭所述，要得到零件或工具的高的使用質(zhì)量除了合金技術(shù)的前提條件外制備工藝措施也是重要的。因為從高的材料韌度的角度就得避免由于缺陷大小最小化而在熱均勻模壓了的材料中出現(xiàn)可能較粗的碳化物局部聚集形成所謂的碳化物簇，所以在粉末冶金制備或在粉末產(chǎn)生時在方法技術(shù)上這樣來調(diào)節(jié)粉末顆粒大小分布，即至少60％的粉末顆粒的粒度小于100μm。與小的金屬粉末顆粒相聯(lián)系的熔液小滴高的凝固速率如所發(fā)現(xiàn)的那樣影響細微單碳化物的均勻分布和與碳含量有關(guān)的粉末顆粒的過飽和基塊。
在熱均勻模壓期間和在壓制件可能進行熱變形期間，由于在高溫下的擴散，基塊的過飽和度減小，細微的圓的單碳化物生長至所期望的小于10μm的粒度，在此其他的合金元素有目的進一步填充入混合晶體中并且最終增強基體。通過這種制備技術(shù)考慮到最小缺陷大小，碳化物形態(tài)學和基體組成以根據(jù)本發(fā)明的材料組成為前提條件朝著二次硬度勢能的最大化方向而得到調(diào)節(jié)。在此由于其重要性通常所采用的鈮濃度由于被調(diào)節(jié)的顆粒生長應當被再次提到。
根據(jù)本發(fā)明的材料的氧化純度具有特別的意義，因為由于非金屬的夾雜物不僅能損害材料的機械性能，而且由于這些非金屬在材料凝固和熱處理時產(chǎn)生不利的成核效應。對本發(fā)明也重要的是，用純度至少為99.999％的氮氣噴射高純合金并避免粉末顆粒表面物理吸附氧氣直至鑄模閉合，這樣gehipte的材料具有小于100ppm的氧含量和相應于根據(jù)德國工業(yè)標準50602檢測的Ko-值最高為3的非金屬夾雜物含量和構(gòu)型。
優(yōu)選的實施形式在從屬權(quán)利要求書中說明。
根據(jù)比較試驗的結(jié)果可更清楚地解釋本發(fā)明。
表1列出了根據(jù)本發(fā)明的鋼合金和比較鋼合金的化學組成。
表2列出了鋼合金機械檢測時的測得值
圖1示出了用來測定彎曲斷裂強度的測試裝置圖2示出了用于確定沖擊彎曲功的試樣形狀圖3示出用來測量摩擦阻力的裝置(示意圖)
圖4為鋼合金的彎曲斷裂強度的對比5為沖擊彎曲功的對比6為鋼合金的摩擦阻力的對比圖從表1可看出根據(jù)本發(fā)明的工具鋼合金(含金A)和比較合金(B-J)的化學組成。
表2給出了根據(jù)本發(fā)明的合金A和比較合金B(yǎng)至J的彎曲斷裂強度，沖擊彎曲功和摩擦阻力的測試結(jié)果。
鋼合金的彎曲斷裂強度用一個時效處理到61HRC的圓試樣(Rd＝5.0mm)在根據(jù)圖1的裝置上測定。預應力Fr為200N，到達預應力的速度為2mm/min和測試速度為5mm/min。
根據(jù)圖2形狀的試樣進行各種鋼合金的沖擊彎曲功測定。
從圖3示意圖可獲知用于測量摩擦阻力的裝置。
假如現(xiàn)在在圖4中所圖示出的測試圖根據(jù)本發(fā)明的合金A的彎曲斷裂強度與比較合金(B至J)的彎曲斷裂強度(表2)比較，那么合金E，F(xiàn)，H，I各自具有有規(guī)律的高的強度值，在此合金I具有最高的彎曲斷裂強度。
對工具鋼合金的各自的沖擊彎曲功的比較(圖5)，合金I又具有最高值。根據(jù)本發(fā)明的合金A的測試數(shù)據(jù)和合金F的測試數(shù)據(jù)對于這個機械性能具有稍小的值。
合金的摩擦阻力的測試結(jié)果在圖6中圖示比較，在此合金H和根據(jù)本發(fā)明的合金A被測得具有最高值。
從這些測試結(jié)果可以獲知，根據(jù)本發(fā)明的工具鋼合金的重要的性能特性，彎曲斷裂強度，沖擊彎曲功和摩擦阻力都有規(guī)律的處于高的水平并且是一種優(yōu)質(zhì)的新合金。
*合金A＝根據(jù)本發(fā)明的合金 表1
*合金A＝根據(jù)本發(fā)明的合金表權(quán)利要求
1.一種含有下列成分的工具鋼合金，以重量％計碳(C)2.05-2.65硅(Si) 上限為2.0錳(Mn) 上限為2.0鉻(Cr) 6.10-9.80鎢(W)0.50-2.40鉬(Mo) 2.15-4.70釩(V)7.05-9.0鈮(Nb) 0.25-2.45鈷(Co) 上限為10.0硫(S)上限為0.3氮(N)0.04-0.22鎳(Ni) 上限為1.50以及直至2.6的伴生元素和煉制過程中帶進的雜質(zhì)，鐵為余量，以這種成分的合金用于粉末冶金制備具有高的韌度和硬度以及高的耐磨性和抗材料疲勞性能的零件，特別是工具，這種部件具有小于100ppm的氧(O)含量和相應于根據(jù)德國工業(yè)標準50602檢測的Ko-值最高為3的非金屬夾雜物的含量和構(gòu)型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的工具鋼合金，其具有下列濃度值的一種或多種元素，以重量％計C 2.30-2.59Si 0.80-1.50Mn 0.30-1.40Cr 6.12-7.50Ni 上限為1.0W 0.60-1.45Mo 2.40-4.40V 7.40-8.70Nb 0.50-1.95N 0.06-0.25和(Mn-S)值至少為0.19。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的工具鋼合金，其具有下列濃度值的一種或多種元素，以重量％計Si 0.85-1.30Mn 0.40-0.80Cr 6.15-6.95Ni 上限為0.90Mo 3.55-4.40V 7.80-8.59Nb 0.75-1.45N 0.06-0.15
4.一種由含有下列元素的工具鋼合金進行粉末冶金制備零件或工具的方法，以重量％計C 2.05-2.65Si 上限為2.0Mn 上限為2.0Cr 6.10-9.80W 0.50-2.40Mo 2.15-4.70V 7.05-9.0Nb 0.25-2.45Co 上限為10.0S 上限為0.3N 0.04-0.32Ni 上限為1.50以及含有直至2.6的伴生元素和煉制過程中帶進的雜質(zhì)，鐵(Fe)為余量，在此液態(tài)合金被調(diào)節(jié)和用純度為99.999％的氮氣噴射成至少60％的顆粒大小為100μm或小于100μm的顆粒大小分布的金屬粉末，然后在維持在氮氣氣氛中和隔絕顆粒表面的氧的物理吸附條件下，將粉末充入鑄模并且閉合鑄模，粉末在熱均勻模壓過程形成完全致密的材料，任選地接著進行熱變形加工，在此根據(jù)溫度均勻分布的單碳化物生成為小于10μm顆粒大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種用于粉末冶金制備具有改善了的使用質(zhì)量的零件,特別是工具的工具鋼合金。為了將重要的性能特性彎曲斷裂強度,沖擊彎曲功和耐磨性均勻地調(diào)節(jié)到高水平,根據(jù)本發(fā)明的合金主要含有下列元素(以重量%計)C:2.05－2.65Cr:6.10－9.80W:0.50－2.40Mo:2.15－4.70V:7.05－9.0Nb:0.25－1.45N:0.04－0.32以及含量直到2.6重量%的伴生元素和煉制過程中帶進的雜質(zhì),鐵(Fe)為余量,這種合金作為材料用來粉末冶金制備零件,制得的零件含有小于100ppm的氧(O)含量和相應于根據(jù)德國工業(yè)標準50602檢測的Ko－值最高為3的非金屬夾雜物的含量和構(gòu)型。
文檔編號B22F3/15GK1382825SQ02105830
公開日2002年12月4日 申請日期2002年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月11日
發(fā)明者W·萊爾伯法特, R·雷比奇 申請人:博哈里爾特種鋼有限公司