CN101243199B - 粉末冶金制备的钢、含有该种钢的工具和制备该工具的方法 - Google Patents

粉末冶金制备的钢、含有该种钢的工具和制备该工具的方法 Download PDF

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Abstract

一种已由粉末冶金法制备的钢，其特征为具有下列的化学组成(重量％)，1.1-2.3的C+N，0.1-2.0的Si，0.1-3.0的Mn，最大20的Cr，5-20的(Mo+W/2)，0-20的Co，其中相对铌和钒的含量之间的比例(Nb/V)，铌和钒的总量(Nb+V)是平衡的，以致这些元素的含量以及它们之间的比例是处于由图1中的坐标系中的坐标A、B、C所确定的区域中，在此A：[4.0；0.55]，B：[4.0；4.0]，C：[7.0；0.55]和Cu、Ni、Sn、Pb、Ti、Zr、和Al的总量不大于1％，余量为铁和由制备钢时的不可避免的杂质。本发明也涉及用于热加工或切屑去除或冷加工的工具，或由上述的钢所制备的高级机械零件，以及制备它们的方法。

Description

粉末冶金制备的钢、含有该种钢的工具和制备该工具的方法
技术领域
本发明涉及一种新的钢，优选地是一种粉末冶金所制备的高速钢，其具有改善的可磨性并适用于切屑去除的工具，优选地为涂层的工具，如齿轮切削工具、丝锥和具有剃齿分离器的头端切削器，对此需要有大的韧性并结合良好的硬度，特别是热硬度。其他的应用领域是需要有大的韧性并结合有硬度和适合应用的强度的这些工具的使用。在这些应用中可以提及的工具是用于热加工的工具，例如用来挤压铝型材的冲模和用于热轧的轧辊，高级机器的构件和压制轧辊，也就是用于冲压金属等的模型或型材的工具。另一个应用领域还可以是冷加工工具，对此良好的可磨性和良好的硬度是重要的性能。
对于要用于例如在挤压铝型材用的工具中的钢，其最重要的性能之一是该钢具有高的耐回火性，这意味着其应能长时间经受高温而不失硬度，该硬度是从钢的硬化和回火而获得的。另一方面，该硬度不需要太高，合适的大小为50-55HRC。
假如钢是代替用在高级的机械零件中，那么主要的性能是较高的硬度和强度并结合高韧性且还有对均匀的性能的严格的要求。在这种情况下，在回火后的硬度一般可为在55-60HRC的范围中。
用于冲压金属等的模型或型材的工具的钢对于硬度有更高的要求，即60-70HRC，然而其仍然要结合韧性，以及对用于切屑去除的钢也如此，如齿轮切削工具、丝锥和具有剃齿分离器的头端切削器。丝锥应具有60-67HRC的范围的硬度，而头端切削器应具有62-70HRC的范围的硬度。假如钢是用于冷加工的工具，则也有类似的要求。
本发明还涉及用于热加工或切屑去除或冷加工的工具，或由上述的钢制备的高级的机械零件，以及用于制备它们的方法。
现有技术
用于切削操作的钢的一种类型是高速钢，其以商标名ASP
Figure 2006800301426_0
2052在市场上可得到，其以下列的标称组成(重量％)为特征：1.6C、4.8Cr、2.0Mo、10.5W、8.0Co、5.0V，余量为铁和不可避免的杂质。另一种高速钢是ASP
Figure 2006800301426_1
2030，其具有标称组成为1.28C、4.2Cr、5.0Mo、6.4W、3.1V、8.5Co，余量为铁和不可避免的杂质。还有另一种高速钢为ASP
Figure 2006800301426_2
2060，其具有标称的组成为2.3C、4.2Cr、7.0Mo、6.5W、6.5V、10.5Co，余量为铁和不可避免的杂质，所有成分的单位为重量％。
发明简述
希望对用于切屑去除用工具的钢改善可磨性，因为可磨性在制备这种工具中是花费时间的操作。因此，本发明的任务是提供一种新型的钢，优选为高速钢，其具有与上述的现有技术的钢的相同的有利性能，而材料的可磨性已有改善。更特别地，该钢应具有下列的性能：
·在硬化和回火的条件下的良好的可磨性，
·在硬化和回火的条件下的良好的韧性，
·在硬化和回火的条件下的良好的硬度，
·高的屈服点，
·高的疲劳强度，
·高的抗弯强度，和
·良好的耐磨性。
这些和其他的必要条件可以由一种钢实现，其已经以粉末冶金法制备得到，且其特征为具有包含下列的化学组成，以重量％计，1.1-2.3C+N、0.1-2.0Si、0.1-3.0Mn、最大20Cr、5-20(Mo+W/2)、0-20Co，其中相对于铌和钒的含量之间比例(Nb/V)铌和钒的总含量(Nb+V)取得平衡，使这些元素的含量和它们之间的比例处于一个范围，该范围是由在图1中的坐标系中的坐标A、B、C确定的，其中A：[4.0；0.55]，B：[4.0；4.0]，C：[7.0；0.55]，以及Cu、Ni、Sn、Pb、Ti、Zr和Al的总量不大于1％，余量为铁和在制备钢时的不可避免的杂质。
附图说明
以下面进行的试验的描述和参考所附的附图将较详细地描述本发明，其中：
图1示出的是根据本发明的钢一方面以Nb和V的总量(Nb+V)和另一方面以Nb和V含量的比例(Nb/V)之间的关系，其以坐标系的形式表示，
图2示出的是MX-碳化物的尺寸作为MX-碳化物的体积部分的函数的示意图，
图3示出的是M6X-碳化物的尺寸作为M6X-碳化物的体积部分的函数的示意图，
图4示出的是对于不同热处理和Nb/V比例时碳化物尺寸的分布示意图，
图5示出的是对于d(111)MX-和d(331)-0.5AM6X-碳化物的平面d(hkl)中的晶格间距作为Nb/V比例的函数的示意图，
图6示出的是根据本发明的钢F在第六次热处理后的显微组织图，
图7示出的是可磨性、G比例作为MX-碳化物尺寸的函数图，和
图8示出的是在研磨期间能量消耗与切屑挖掘速率的关系图。
发明详述
没有将本发明与任何具体理论相结合，不同的合金材料以及不同的结构元素在获得所期望的性能的型材中的重要性将更详细地说明。在合金含量的情况下，百分比总是以重量％给出，且在结构元素的情况下，百分比总是以体积％给出，除非另有说明的除外。
氮、碳一起应以至少1.1％和最多2.3％的含量存在，优选地至少1.4％和最多2.0％，和更优选为1.60-1.90％之间，以便当溶解于马氏体中时在硬化和回火的条件下给材料一种硬度，其是适合于它的目的的。此外碳和氮应与铌和钒相结合而促成足够量的初生沉淀的(Nb，V)X类型的MX-碳化物、-氮化物、-碳氮化物，并且与钨、钼和铬相结合以促成在基体中得到足够量的初生沉淀的M6X-碳化物、-氮化物、-碳氮化物。为了简单起见，这种硬相颗粒在后面的描述中称为碳化物，但是应理解的是，假如钢含有氮，那么术语碳化物也指的是氮化物和/或碳氮化物。这种碳化物的目的是能给材料以其所期望的耐磨性。此外，它们有助于使钢具有碳化物的精细粒状的结构，因为碳化物可起到限制晶粒生长的作用。在一个优选的方案中，钢含有1.65-1.80％之间的碳和氮，其与余量的其他的合金元素，特别是硅、铬、钒和铌相结合时可使钢具有良好地适于其目的的特性，其可通过标准的制备方法而得到，也就是说制备不需要任何的非寻常的工作，而是按照标准方法进行。
通常氮含量不大于0.1％，然而在粉末冶金制备技术中在钢中可溶解高得多的含量的氮。因此，所述钢的一个实施方案的特征为该钢含有大量的氮，含氮量最多为2.3％，这可通过制备的粉末的固相渗氮而得到。在此在硬质材料中氮可代替碳，硬质材料是最终工具的钢的一部分。通过用氮代替碳而得到的优点是耐粘磨性减小，这特别是当工具在粘性材料，如铝和一些不锈钢上操作时是一个优点。钢也较容易地回火，这意味着可以降低回火温度，这可以是有利的。低于1.1％碳+氮的含量将导致不足够的硬度和耐磨性，而大于2.3％的含量可导致脆性问题。
以至少0.1％的含量将硅加入到钢中，以改善钢的流动性，这在熔体冶金工艺中是重要的。通过增加硅的加入钢熔体将会更易流动，这是重要的，以避免与粒化相关的堵塞。为了避免在制粒期间的堵塞硅含量应至少为0.2％和更优选至少为0.4％。硅也在硅合金的实施方案中有助于增加碳活性，硅可以以至多约2％的量存在。在2％以上的量时出现脆性问题，因此钢应不含有大于1.2％的Si，因为大于上述含量时在硬化条件下形成大的M6X-碳化物和削弱硬度的风险将更大，这意味着更优选的是限制硅含量不大于1.0％。在一个优选的实施方案中，硅含量在0.55％-0.70％之间，这除了上述的优点外还已经证实使用优选碳含量的钢易于热处理。由此意味着所述钢可以在宽的温度范围内进行热处理同时保持其特性，这在制备时是有利的。
锰也可以主要以从冶金熔体工艺中的残留产物存在，其中锰通过形成硫化锰而具有使含硫杂质失去作用的已知的效应，并出于这目的锰应在钢中以至少0.1％的含量存在。锰在钢中的最大含量为3.0％，然而优选的锰含量是限制在最大为0.5％。在一个优选的实施方案中，钢含有0.2-0.4％的Mn。
硫在钢中可以作为制备钢的残留产物存在，在含量至多为800ppm时，不影响钢的机械性能。硫可以故意地加入作为合金元素，最多为1％，从而有助于改善机械性能和加工性能。在本发明的一个实施方案中，已为此故意加入硫，硫含量应在0.1-0.3％之间而锰含量应选择比在非硫合金的方案中稍高一点，合适的为0.5％至最大1.0％。
磷也在钢中作为制备钢的残留产物存在，在含量至多为800ppm时，不影响钢的机械性能。
铬在钢中应以至少3％的含量存在，优选为至少3.5％，以使当溶解在钢的基体中时在硬化和回火后有助于使钢得到足够的硬度和韧度。铬也可以通过包含在初生沉淀的硬相颗粒中而促进钢的耐磨性，硬相颗粒主要是M6X-碳化物。其他的初生沉淀的碳化物也含有铬，然而不在相同的程度。然而太多的铬将导致残余的奥氏体的风险，其是难以转变的。通过材料的深度冻结，残留的奥氏体含量可以消除或至少最少化。因此铬可以有的含量限制在最多12％。在钢的应用领域中钢不必含有大于6％的铬以得到所期望的性能。在一个优选的实施方案中钢含有3.5-4.5％的Cr和最优选3.8-4.2％的Cr。
钼和钨正象铬那样在硬化和回火后有利于钢的基体得到足够的硬度和韧度。钼和钨也能包含在初生沉淀的M6X型的碳化物中并且如此其将促进钢的耐磨性。其他的初生沉淀的碳化物也含有钼和钨，然而不在相同的程度。要选择限度以便通过与其他的合金元素相适应而导致合适的性能。原则上钼和钨可以部分地或完全地互相取代，这意味着钨可以被一半的钼量取代，或钼可以被双倍的钨量取代。然而由经验获知，大约等量的钼和钨是优选的，因为这导致在生产技术中或更具体地在热处理技术中的一些优点。钼+钨的总含量应在5-20％的范围，更优选为不大于15％。适合于目的的性能可在以9-12％(Mo+W/2)的含量与其他合金元素的结合而得到。在这范围内在一个优选的实施方案中钼的含量应选择在4.0-5.1％的范围中，且钨的含量应合适地选择在5.0-7.0的范围。钼的标称含量是4.6％且钨为6.3％。
钴在钢中的选择存在取决于钢的用途。对于钢通常在室温下使用或通常在使用中不加热到特别高的温度下的应用，那么钢不应含有故意加入的钴，因为钴减小钢的韧性并在工具使用中具有破碎的风险。此外在软退火条件下硬度将随着钴含量的增加而增加并在高于约14％的含量时工具变得非常难以机加工，也就是难于转动、研磨、钻削、锯切等。假如钢用于切屑切削(chipcutting)工具中，对此热硬度是重要的，则与此合适的是含有大量的钴，在这情况下其可有至多20％的含量，但是在7-14％范围的钴含量下就可达到所期望的热硬度。当用在切屑切削工具时根据本发明的钢应更优选含有8.0-10.0％之间的Co和特别优选8.8-9.3％的Co。
铌是一种在根据本发明的钢中起重要作用的元素。以前已知的是，加入少量的铌，至多1％，可有助于减小碳化物的尺寸，这特别对于材料的韧性和硬度是有利的。根据以前已知的观点，铌可以代替钒。然而这将影响耐磨性且材料也将难于研磨，特别是假如钢含有铌和/或钒的含量为约4％或更多时。
有些是以前不知道的，至少是本申请人的知识中是不知道的，即在一方面钒和铌的总量和另一方面钒和铌之间的比例之间存在关系，其中的钢，尽管这种碳化物形成物的高含量，然而是令人惊奇地易于研磨。这种关系形成了本发明思想的基础并通过大量的试验而对本申请人已变得清楚，这些试验在下文中进一步描述。根据本发明的思想，一方面铌和钒的总量相对于另一方面的铌和钒的含量之间的比例(Nb/V)应取得平衡，使这些元素的含量以及它们之间的比例将处于由图1坐标系中的坐标A、B、C确定的区域内。更优选的是，这些元素(Nb+V)的总含量和它们之间的比例(Nb/V)在坐标D，E，F所确定的区域内平衡，且更优选的是在坐标G，H，I所确定的区域内，其中：
[(Nb+V)；(Nb/V)]
A：[4.0；0.55]
B：[4.0；4.0]
C：[7.0；0.55]
D：[4.25；0.55]
E：[4.25；3.5]
F：[6.7；0.55]
G：[4.5；0.55]
H：[4.5；3.0]
I：[6.4；0.55]
已表明，在本发明的范畴内尽管铌和钒的高合金含量，初生MX-碳化物的尺寸还是可限制的，这有利于改善可研磨性。
此外还表明，根据本发明的钢将在不同的热加工操作中使得MX-碳化物生长地更少，钢的Nb/V的比例更高，这些操作是在制备过程中钢所经受的，例如热等静压(HIP:ing)、锻造、轧制。
在研究中也发现，在钢中形成的碳化物的尺寸和它们的总含量之间有关系，碳化物的尺寸增加则在钢中的碳化物含量越高。对于M6X-和MX-碳化物两者而言这种关系是有效的。研究还进一步表明，在固定的体积部分和工艺参数下，M6X-碳化物是大于MX-碳化物的。这意味着假如钢期望具有一种给定的最大尺寸的碳化物，那么合金组成可以是平衡的，以使钢的MX-碳化物的含量是M6X-碳化物含量的1.5-2倍。
此外已经令人惊奇地发现，合金化铌的钢在MX-碳化物的尺寸的增大和MX-碳化物的含量之间比没有添加铌的钢具有更强的关系。这结果表明，铌的加入只是至多在MX-碳化物的某一最大含量时有利，而不是大于此含量。
根据本发明的思想，可以提供一种钢，其满足与高的屈服点、高的疲劳强度、高的抗弯强度和较好的耐磨性相结合的韧性和硬度的高要求，并且也具有改善的研磨性能。假如钢具有根据权利要求1的组成，那么这就能实现，其中就铌和钒的总含量与一定的比例的铌和钒而言该组成已得到平衡。因此铌和钒的总含量应满足条件4.0≤Nb+V≤7.0，优选4.25≤Nb+V≤6.7，和更优选4.5≤Nb+V≤6.4，同时铌和钒之间的比例应满足条件0.55≤Nb/V≤4.0，优选0.55≤Nb/V≤3.5和更优选0.55≤Nb/V≤3.0。在最优选的实施方案中钢应含有2.0-2.3％的Nb和3.1-3.4％的V。此外钢应具有不大于15体积％的MX-碳化物的含量，优选不大于13体积％，和更优选为不大于11体积％，其中至少80％，优选至少90％，和更优选至少95％的MX-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于3μm，优选不大于2.2μm，更优选不大于1.8μm。就M6X-碳化物-成形元素铬、钼和钨而言钢的组成也应是平衡的，以使在钢中的M6X-碳化物的含量不大于15体积％，优选不大于13体积％和更优选不大于12体积％，其中至少80％，优选90％和更优选至少95％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于4μm，优选不大于3μm，更优选不大于2.5μm。
此外，根据本发明的钢不应含有任何故意加入的附加合金元素。铜、镍、锡和铅以及碳化物成形物，如钛、锆和铝可允许的总量不大于1％。除了这些元素和上述的元素外，钢除了含有不可避免的杂质外不再含有其他的元素和其他从钢的冶金熔体处理中得来的残留产物。
实验室规模的实验
总共制备了九种试验材料。这些材料的化学组成列于下表1中。
表1：检验的钢的化学组成(重量％)；正常含量的余量铁和杂质
  钢   C   Si   Mn   Cr   Mo   W   Co   V   Nb   Nb/V
  A   1.74   0.60   0.31   3.95   4.07   4.15   10.5   3.97   1.87   0.47
  B   1.85   0.62   0.39   4.23   5.05   7.18   12.0   3.50   1.67   0.48
  C   1.77   0.56   0.29   3.94   4.99   5.09   0.63   3.94   1.96   0.50
  D   1.86   0.63   0.40   4.20   7.02   7.14   12.0   3.25   1.74   0.54
  E   1.98   0.41   0.28   2.98   2.99   1.14   7.80   4.08   2.63   0.64
  F   1.73   0.62   0.39   4.20   6.99   7.00   11.9   2.63   1.98   0.75
  G   1.92   0.41   0.30   4.28   1.00   3.24   8.33   3.76   3.25   0.86
  H   1.28   0.6   0.3   4   5   6.4   8.5   3.1   -   0
  I   2.30   0.6   0.3   4.2   7.0   6.5   10.5   6.5   -   0
通过气体雾化从钢制备粉末。各个钢粉末是通过在较大的生产套管上部的小试验套管中进行快速热等静压制而固化，即所谓的HIP/QIH。从小的试验套管中取出样品，以几种方式热处理该样品，以根据下表2模拟典型的生产条件。
表2：在ASP工艺中模拟生产的典型条件的热处理
  热处理   温度(℃)，停留时间(h)
  0   1150/2h
  1   1150/2h+1100/12h
  2   1150/2h+1130/3h
  3   1150/2h+1130/6h
  4   1150/2h+1130/12h
  5   1150/2h+1150/3h
  6   1150/2h+1100/12h+1130/6h+1150/3h
碳化物含量和尺寸
在所检验的钢中的MX-碳化物的含量以及尺寸是根据钢所经受的表2中的热处理而变化。这从下表3就能清楚地看出。
表3：取决于热处理的钢中的MX-碳化物的含量、这些碳化物的尺寸
  热处理   平均尺寸，所有的*  平均尺寸，100个最大   MX，体积％  平均尺寸，所有的*  平均尺寸，100个最大   MX，体积％
  的*   的*
  钢A   钢B
  0   0.51   1.07   7.1   0.48   0.95   4.7
  1   0.58   1.28   7.9   0.55   1.13   6.4
  2   0.54   1.19   7.1   0.49   0.98   6.2
  3   0.61   1.37   8.7   0.59   1.22   7.4
  4   0.62   1.43   9.8   -   -   -
  5   0.55   1.18   7.6   0.57   1.16   7.6
  6   0.68   1.60   10.4   0.70   1.47   9.2
  钢C   钢D
  0   0.56   1.18   7.7   0.47   0.93   5.6
  1   0.53   1.18   7.6   0.55   1.09   6.4
  2   0.46   0.91   6.0   0.49   0.96   5.8
  3   0.53   1.14   8.3   0.57   1.14   6.5
  4   0.55   1.30   8.5   0.62   1.28   6.8
  5   0.52   1.09   8.1   0.54   1.07   6.5
  6   0.62   1.39   10.4   0.69   1.43   8.5
  钢E   钢F
  0   0.49   1.10   6.9   0.42   0.78   3.6
  1   0.51   1.09   6.9   0.45   0.86   3.7
  2   0.48   0.98   6.4   0.42   0.78   3.3
  3   0.51   1.04   6.8   0.48   0.95   4.6
  4   0.55   1.25   8.7   0.51   1.00   4.7
  5   0.49   1.04   7.4   0.46   0.90   4.5
  6   0.59   1.28   8.8   0.54   1.07   5.5
  钢G   钢H
  0   0.44   0.86   5.2   0.39   1.17   12.6
  1   0.52   1.07   6.1   0.68   1.52   14.1
  2   0.47   0.91   5.3   0.60   1.30   13.2
  3   0.50   1.04   6.4   0.62   1.39   12.0
  4   0.52   1.06   6.7   0.69   1.57   14.5
  5   0.50   1.01   6.5   0.62   1.38   13.1
  6   0.60   1.16   8.4   0.76   1.82   15.9
  钢I
  0   0.51   1.03   4.6
  1   0.62   1.32   6.2
  2   0.53   1.08   4.5
  3   0.57   1.16   4.1
  4   -   -   -
  5   0.55   1.11   4.4
  6   0.74   1.59   6.5
*涉及所有MX-碳化物的平均碳化物尺寸
**涉及在约20000μm的区域中的100个最大的碳化物的平均尺寸
图1示出了6号热处理的MX-碳化物的尺寸的示意图。在图中，加入铌的钢用实心的黑色点标出，而不加铌的钢用圆圈标出。在图中可以看出，对于含-Nb的钢的MX-碳化物尺寸比不加Nb的钢中的碳化物的尺寸要小得多。
对取决于表2中钢所经受的热处理的检验的钢中的M6X-碳化物的含量和尺寸的相应的研究列于下表4中。
以最大的含量加入铌对MX-碳化物的尺寸具有有利的效应，其变化取决于工艺中的停留时间和温度，诸如在对高速钢典型的温度下的热等静压、轧制和锻造。从试验中得出的结论是对具有MX-碳化物含量不大于15体积％，优选不大于13体积％和更优选不大于11体积％的钢，加入铌看起来是有利的，而相反铌的加入对于具有较大部分的MX-碳化物的钢看起来能导致较大的MX-碳化物。
表4：取决于热处理的钢中的M6X-碳化物的含量和尺寸
  热处理  M6X，体积％   平均尺寸，100个最大的*   M6X，体积％   平均尺寸，100个最大的*  M6X，体积％   平均尺寸，100个最大的*
  钢B   钢C   钢D
  0   5.5   1.28   -   -   9.2   1.49
  1   7.6   1.75   5.3   1.42   11.7   1.89
  2   7.5   1.38   5.6   1.17   10.5   1.61
  3   7.2   1.71   4.7   1.37   10.7   1.90
  4   -   -   5.9   1.52   11.9   2.22
  5   5.7   1.56   3.6   1.25   9.3   1.77
  6   8.4   2.06   6.8   1.78   10.5   2.24
  钢F   钢H   钢I
  0   10.9   1.63   -   -   7.4   1.43
  1   11.1   1.88   6.7   1.52   9.7   1.93
  2   11.8   1.70   6.8   1.43   8.5   1.58
  3   12.3   1.98   7.1   1.65   8.9   1.81
  4   11.7   2.17   -   -   -   -
  5   9.9   1.72   6.4   1.51   7.7   1.65
  6   11.8   2.24   6.4   1.93   8.2   2.13
图3示出的是关于表4中经6号热处理的钢的M6X-碳化物的尺寸示图。在图中加入了铌的钢由实心的黑点标出，而不加铌的钢用圆圈标出，由图可以看出，Nb的加入没有对M6X-碳化物的尺寸有任何可测量的效应。
此外还表明，根据本发明的钢在关于MX--碳化物尺寸方面在不同的热加工操作中有较小的影响，钢的Nb/V比例更高，该种热加工是钢在制备期间所经历的，例如：热等静压、锻造和轧制，如从图4中是清楚的。图4表明热加工操作对具有约0.6或更大的Nb/V比例的钢中MX-碳化物的尺寸没有多少效应。
图5表明对MX-和M6X-碳化物的平面d(hkl)中的晶格间距作为Nb/V比例的函数的示意图。对于MX-碳化物测量了(111)-间距，并对于M6C-碳化物测量了(331)-间距。在此清楚的是，铌的加入似乎对在M6C-碳化物中的晶格之间的间距没有影响，这表明铌的加入对M6C-碳化物的组成没有影响。对于MX-碳化物在晶格间距和Nb/V的比例增加之间似乎是线性关系，这表明铌是溶解在MX-碳化物中。然而钢G与此偏离，这可能因为在粒化发生之前在熔体中形成大的MX-碳化物(＞20μm)，这意味着较少量的Nb对粒化期间或之后所形成的MX-碳化物是有用的。
显微组织
根据本发明的钢具有一种显微组织，其在硬化和回火的条件下由含有MX-碳化物和M6X-碳化物的回火的马氏体的组织构成，MX-碳化物和M6X-碳化物在马氏体中均匀分布，其通过由950-1250℃之间的奥氏体化温度冷却至室温并在480-650℃的温度下回火以硬化产物而得到。根据本发明的钢应具有不大于15体积％的MX-碳化物的含量，优选不大于13体积％，和更优选不大于11体积％，其中至少80％，优选至少90％，和更优选至少95％的MX-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于3μm，优选不大于2.2μm，和更优选不大于1.8μm。就M6X-碳化物-成形元素铬、钼和钨而言钢的组成也应是平衡的，以使钢中的M6X-碳化物的含量不大于15体积％，优选不大于13体积％，和更优选不大于12体积％，其中至少80％，优选90％，和更优选至少95％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于4μm，优选不大于3μm，和更优选不大于2.5μm。
图6是根据本发明的钢，也就是在表2中的合金F的显微组织照片。该照片表明均匀分布的黑色/深灰色的MX-碳化物和稍稍较大的白色/浅灰色的M6X-碳化物。该钢含有5.5体积％的MX-碳化物，其具有0.5μm的平均尺寸，其中在约20000μm的区域内的100个最大的MX-碳化物具有1.1μm的平均尺寸，而11.8体积％的M6X-碳化物具有1.2μm的平均尺寸，其中在约20000μm的区域内的100个最大的M6X-碳化物具有2.2μm的平均尺寸。在MX-碳化物周围的浅色区域来自浸蚀，且实际上在材料中没有与此相应的东西。
可研磨性
根据本发明的一个方面，钢应具有良好的可研磨性。上述的所有的MX-碳化物的尺寸都影响钢的可研磨性，以致钢中碳化物的颗粒越大，可研磨性降低。钢的可研磨性可以其G比例给出，并且其对材料要研磨多硬是一种度量。钢的G比例是在硬化和退火的条件下通过表面研磨氧化铝工业圆盘的7×7×150mm的试样(所谓的白盘)下降到尺寸为2×7×150mm而测量的。G比例通常以相对所使用的研磨盘的体积而研磨掉的钢材料的体积给出。容易研磨的材料具有高的G比例，而难于研磨的材料是以低的G比例值为特征的。图7表示可研磨性作为MX-碳化物尺寸的函数。清楚的是，具有小尺寸的MX-碳化物的钢与其他的具有相同体积范围的MX-碳化物含量的钢比较在可研磨性方面已经有相当的改善。
通过研磨期间比较能量消耗，可以比较根据本发明的钢的最高的切割挖掘速率(chip excavation rate)的值，本发明的钢称为PUD169，其具有下列的组成1.69％的(C+N)，0.65％的Si，0.3％的Mn，4.0％的Cr，4.6％的Mo，6.3％的W，9.0％的Co，3.2％的V和2.1Nb，余量为铁和杂质，以及一种参比钢，其具有下列的组成：1.6的C，4.8的Cr，2.0的Mo，10.5的W，8.0的Co，5.0的V，余量为铁和不可避免的杂质，称为ASP2052。结果示于图8中，且清楚的是，根据本发明的钢可以在相同的能量消耗下以高于参比材料约60％的切割挖掘速率进行研磨，这从制备的观点看是相当优越的。
从根据本发明和参比材料的钢可以制备许多切削工具齿，其是用TiAlN涂层的，即所谓的Futura涂层。该钢板在测试中使用，其中对两种材料测量了相当于一小时(1h)使用期限的切削速率。在测试中使用下列的参数：
径向切削深度＝10mm，
轴向切削深度＝3mm，
进料＝0.1mm/齿，干法机加工，
工作材料＝Impax。
在测试中，对于本发明钢测得的切削速度为83m/分钟，而对于参比材料测得的为77m/分钟，因此这意味着本发明的钢具有比参比材料好得多的性能。
中试规模的实验
在硬化和回火条件下的硬度
两个约200kg的变化方案，每个都是由本发明的钢通过气体雾化和热等静压制而进行。约10kg的中试规模的套管由这种粉末制备，而且测试片从套管中取出，以评价在硬化和回火后的硬度。这些根据本发明钢的变化方案适用于对硬度有高要求但仍然结合有大的韧性的应用，如用于金属等模型或型材的冲压工具，以及用于切屑去除工具的钢，诸如丝锥和具有剃齿分离器的头端切削器。假如其是用于冷加工的工具，则对钢具有类似的需求。这些钢的化学组成在表5中给出。结果示出于表6中。
表5：根据本发明的钢的两个变化方案的化学组成(重量％)；正常含量的余量铁和杂质
  钢   C   Si   Mn   Cr   Mo   W   Co   V   Nb
  1   1.70   0.59   0.29   3.98   4.69   6.17   9.03   3.19   2.08
  2   1.65   0.54   0.29   3.95   4.60   6.03   8.94   3.15   2.13
表6：根据本发明的钢在不同的热处理时的硬度，(HRC)
  硬化温度(℃)，停留时间2-5分钟.
  钢   回火温度TA(℃)3×1h   1150   1180   1200   1220
  1   500   69.2
  1   520   69.9   69.9
  1   540   68.8   68.6   68.5
  1   560   68.1   68.4   67.5   65.6
  1   580   66.3   66
  1   600   62.7
  2   500   69.7
  2   520   69.4   69.7
  2   540   67.9   68.2   68.3
  2   560   67.6   68.0   67.9   68.2
  2   580   65.6   65.9
  2   600   62.0
根据钢的应用领域，最佳的硬度是在50-70HRC范围的硬度中选择的。对于要求较低硬度，50-55HRC，但优选有更高韧性的应用领域，要限制初生C的含量，以及任何存在的N和至少一些W、V、Nb、Mo和Co，以使这些含量是在约钢的下限量，且在硬化期间的奥氏体化温度的选择是低于1100℃。
对于用于热加工工具的钢，如用于铝型材的挤压，最重要的性能之一是钢具有高的耐回火性，这意味着其能经历长时间的高温而不失去硬度，该钢是硬化和回火得到的。另一方面该硬度不需要特别高，合适的在50-55HRC的量值。假如钢用于代替高级机械零件，主要性能是较高的硬度和与大韧性相结合的强度。在这个情况下，回火后的硬度典型地可处于55-60HRC。对于这两个应用领域钢合适地在1000-1250℃的奥氏体化温度下，典型地为1150-1200℃下进行热处理，和在550-600℃的回火温度下进行回火，3×1h。
对用于金属等模型或型材的冲压工具的钢，以及用于切屑去除的钢，对硬度有更高的要求，60-70HRC，但仍然要与大的韧性相结合，这些工具诸如齿轮切削工具、丝锥和具有剃齿分离器的头端切削器。丝锥应具有60-67HRC范围的硬度，而头端切削器应具有62-70HRC范围的硬度。假如其用于冷加工的工具，则对于钢也有类似的需求。对于这两个应用领域钢适合地在1000-1250℃的奥氏体化的温度下进行热处理，典型地，用于切屑去除的工具的为1150-1200℃而用于冷加工工具的为1000-1200℃，且在480-580℃的回火温度下回火，典型地为550-570℃，3×1h，和具有在50-55HRC的范围的硬度。在含有氮的钢的情况下，根据上述理由回火温度可以降低。
在一个优选的实施方案中钢具有根据以下的标称组成：1.69％的(C+N)，0.65％的Si，0.3％的Mn，4.0％的Cr，4.6％的Mo，6.3％的W，9.0％的Co，3.2％的V和2.1％的Nb，余量为铁和杂质。这种钢特别适合用于切削的工具，为此与在介绍中所提到的材料相比其具有相当改善的可研磨性，其他的性能是可相比的。该钢也已表明与ASP2052相比较其具有改善的机加工性。

Claims (51)

1.用于热加工的钢或用于冷加工的钢或用于切屑切削加工的钢，或用于高级机械零件的钢，其已经通过粉末冶金法制备并且其特征为其具有下列的化学组成，以重量％计，含有：
1.1-2.3    C+N
0.1-2.0    Si
0.1-3.0    Mn
最大6      Cr
5-12       (Mo+W/2)，
0-12       Co，
其中铌和钒的总量(Nb+V)相对于铌和钒含量间的比例(Nb/V)取得平衡，使这些元素的含量以及它们之间的比例处于由图1坐标系中的坐标A、B、C确定的区域中，其中
A：[4.0；0.55]
B：[4.0；4.0]
C：[7.0；0.55]
且Cu、Ni、Sn、Pb、Ti、Zr和Al的总量不大于1％，余量为铁和制钢时不可避免的杂质，
且在硬化和回火的条件下MX-碳化物的含量不大于13体积％，
和至少90％的MX-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于1.8μm，
且在硬化和回火的条件下M6X-碳化物的含量不大于15体积％，
和至少80％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于4μm，
其中假如钢含有氮，所述碳化物也指的是氮化物和/或碳氮化物。
2.根据权利要求1的钢，其特征在于，MX-碳化物含量不大于11体积％。
3.根据权利要求1的钢，其特征在于，至少95％的MX-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于1.8μm。
4.根据权利要求2的钢，其特征在于，至少95％的MX-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于1.8μm。
5.根据权利要求1的钢，其特征在于，在硬化和回火的条件下M6X-碳化物的含量不大于13体积％。
6.根据权利要求5的钢，其特征在于，在硬化和回火的条件下M6X-碳化物的含量不大于12体积％。
7.根据权利要求1的钢，其特征在于，至少90％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于4μm。
8.根据权利要求7的钢，其特征在于，至少90％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于3μm。
9.根据权利要求8的钢，其特征在于，至少90％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于2.5μm。
10.根据权利要求1的钢，其特征在于，至少95％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于4μm。
11.根据权利要求10的钢，其特征在于，至少95％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于3μm。
12.根据权利要求11的钢，其特征在于，至少95％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于2.5μm。
13.根据权利要求1的钢，其特征在于，含有MX-碳化物和M6X-碳化物的钢的显微组织是通过在950至1250℃的奥氏体化温度下硬化，和在480至650℃的回火温度下回火而可得到的。
14.根据权利要求13的钢，其特征在于，所述回火进行3x1h。
15.根据权利要求1的钢，其特征在于，其具有50至70HRC范围的硬度。
16.根据权利要求1的钢，其特征在于，铌和钒的总量(Nb+V)相对于铌和钒的含量之间的比例(Nb/V)取得平衡，使这些元素的含量以及它们之间的比例处于由坐标D、E、F确定的区域中，其中
D：[4.25；0.55]
E：[4.25；3.5]
F：[6.7；0.55]。
17.根据权利要求16的钢，其特征在于，铌和钒的总量(Nb+V)相对于铌和钒的含量之间的比例(Nb/V)取得平衡，使这些元素的含量以及它们之间的比例处于由坐标G、H、I确定的区域中，其中
G：[4.5；0.55]
H：[4.5；3.0]
I：[6.4；0.55]。
18.根据权利要求1-17任一项的钢，其特征在于，钢中的碳和氮的总量为1.4至2.0％之间。
19.根据权利要求18的钢，其特征在于，钢中的碳和氮的总量为1.60至1.90％之间。
20.根据权利要求19的钢，其特征在于，钢中的碳和氮的总量为1.65至1.80％之间。
21.根据权利要求1-17任一项的钢，其特征在于，所述钢含有0.2至1.2％的Si。
22.根据权利要求21的钢，其特征在于，所述钢含有0.4至0.8％的Si。
23.根据权利要求22的钢，其特征在于，所述钢含有0.55至0.70％的Si。
24.根据权利要求1-17任一项的钢，其特征在于，所述钢含有0.1至0.5％的Mn。
25.根据权利要求24的钢，其特征在于，所述钢含有0.2至0.4％的Mn。
26.根据权利要求1-17任一项的钢，其特征在于，所述钢含有3至6％的Cr。
27.根据权利要求26的钢，其特征在于，所述钢含有3.5至4.5％的Cr。
28.根据权利要求27的钢，其特征在于，所述钢含有3.8至4.2％的Cr。
29.根据权利要求1-17任一项的钢，其特征在于，所述钢含有9至12％的(Mo+W/2)。
30.根据权利要求29的钢，其特征在于，所述钢含有4.0至5.1的Mo和5.0至7.0％的W。
31.根据权利要求30的钢，其特征在于，所述钢含有4.4至4.9的Mo和6.1至6.7％的W。
32.根据权利要求1-17任一项的钢，其特征在于，所述钢含有5.0至12.0％的Co。
33.根据权利要求32的钢，其特征在于，所述钢含有8.0至10.0％的Co。
34.根据权利要求33的钢，其特征在于，所述钢含有8.8至9.3％的Co。
35.根据权利要求1-17任一项的钢，其特征在于，所述钢含有2.0至2.3％的Nb和3.1至3.4％的V。
36.一种用于热加工或切屑切削加工或冷加工的工具，其特征在于，其含有根据权利要求1-35任一项的钢。
37.根据权利要求36的用于热加工的工具，其特征在于，所述钢在950至1050℃的奥氏体化温度下硬化、在550至600℃的回火温度下回火，则其具有在50至55HRC范围的硬度。
38.根据权利要求37的用于热加工的工具，其特征在于，所述回火进行3x1h。
39.根据权利要求36的用于切屑切削加工或冷加工的工具，其特征在于，所述钢在1000至1250℃的奥氏体化温度下硬化、在480至580℃的回火温度下回火，则其具有60至70HRC范围的硬度。
40.根据权利要求39的用于切屑切削加工或冷加工的工具，其特征在于，所述回火进行3x1h。
41.一种高级机械零件，其特征在于，其含有根据权利要求1-35任一项的钢。
42.根据权利要求41的高级机械零件，其特征在于，所述钢在950至1050℃的奥氏体化温度下硬化、在550至600℃的回火温度下回火，则其具有在50至55HRC范围的硬度。
43.根据权利要求42的高级机械零件，其特征在于，所述回火进行3x1h。
44.一种用于制备热加工或切屑切削加工或冷加工用的工具的方法，其特征在于，其包括：制备钢熔体、气体雾化所述钢熔体以形成钢粉末、通过热等静压制即所谓的HIP而固化所述的钢粉末以形成钢坯或具有几乎是工具最终形状的工具坯，其具有根据权利要求1-35任一项的化学组成，钢坯或工具坯在950至1250℃的奥氏体化温度下硬化、并在480至650℃的回火温度下回火，使钢具有50至70HRC范围的硬度，且显微组织由回火的马氏体构成，MX-碳化物的含量不大于15体积％，其中至少80％的MX-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于3μm，M6X-碳化物的含量不大于15体积％，其中至少80％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于4μm，和研磨工具坯至最终尺寸，
其中假如钢含有氮，所述碳化物也指的是氮化物和/或碳氮化物。
45.根据权利要求44的用于制备热加工或切屑切削加工或冷加工用的工具的方法，其特征在于，所述回火进行3x1h。
46.根据权利要求44的用于制备热加工或切屑切削加工或冷加工用的工具的方法，其特征在于，所述钢坯经受热加工和/或冷加工以形成工具坯，然后硬化和回火。
47.根据权利要求44的用于制备热加工或切屑切削加工或冷加工用的工具的方法，其特征在于，所述工具是通过物理气相沉积或化学气相沉积而进行表面涂覆。
48.一种用于制备高级机械零件的方法，其特征在于，其包括：制备钢熔体、气体雾化所述钢熔体以形成钢粉末、通过热等静压制即所谓的HIP而固化所述的钢粉末以形成钢坯或具有几乎是工具最终形状的工具坯，其具有根据权利要求1-35任一项的化学组成，钢坯或工具坯在950至1250℃的奥氏体化温度下硬化、并在480至650℃的回火温度下回火，使钢具有50至70HRC范围的硬度，且显微组织由回火的马氏体构成，MX-碳化物的含量不大于15体积％，其中至少80％的MX-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于3μm，M6X-碳化物的含量不大于15体积％，其中至少80％的M6X-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于4μm，和研磨工具坯至最终尺寸，
其中假如钢含有氮，所述碳化物也指的是氮化物和/或碳氮化物。
49.根据权利要求48的用于制备高级机械零件的方法，其特征在于，所述回火进行3x1h。
50.根据权利要求48的用于制备高级机械零件的方法，其特征在于，所述钢坯经受热加工和/或冷加工以形成工具坯，然后硬化和回火。
51.根据权利要求48的用于制备高级机械零件的方法，其特征在于，所述工具是通过物理气相沉积或化学气相沉积而进行表面涂覆。
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