CN111183241B - 适用于热加工工具的钢 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造热加工工具的钢，所述钢以重量％(wt.％)计由以下组成：C 0.01至0.08、Si 0.05至0.6、Mn 0.1至0.8、Cr 3.9至6.1、Ni 1.0至3.0、Mo 7.0至9.0、Co 9.0至12.5、Cu 0.4至6.5、N 0.01至0.15，余量为任选元素、杂质和铁。本发明还涉及由所述合金制成的预合金化粉末和由所述粉末生产的AM制品。

Description

适用于热加工工具的钢
技术领域
本发明涉及一种适用于诸如压模(die)和模具(mould)的热加工工具的钢。特别地，本发明涉及适用于制造需要高硬度和高耐回火性的热加工工具的析出硬化钢。
背景技术
对于热加工应用，通常使用不同种类的热加工工具钢，特别是5％Cr钢如H11和H13，其为这种类型的优质热加工工具。Uddeholm
Figure GDA0003420591430000011
是这种类型的优质热加工工具。其为由ESR生产的高性能铬-钼-钒钢。如WO9950468 A1中所述，其包含平衡的碳和钒含量。
尽管就许多性能而言，由ESR生产的钒合金工具钢具有比常规生产的工具钢更好的性能，但仍需要进一步改进以降低热加工工具失效的风险。另外，进一步提高热加工工具钢的热强度和耐回火性以延长使用寿命将是有益的。
还已知将马氏体时效钢用于热加工应用。马氏体时效钢通常是不锈钢，并且包括17-7PH、17-4PH、15-5PH、PH 15-7Mo、PH 14-8Mo和PH 13-8Mo。后面的钢也称为1.4534、X3CrNiMoAl13-8-2和S13800。
发明内容
本发明涉及一种经改进的热加工工具钢。特别地，本发明涉及具有高硬度和高耐回火性的热加工工具钢。
本发明的目的是提供一种具有改善的性能特征的用于热加工的钢。特别地，本发明旨在提供具有高强度和韧性以及高洁净度、良好的可抛光性和大尺度下的均匀特性的析出硬化模具钢。另外，本发明旨在提供粉末形式的钢，特别是但不限于提供适用于增材制造(AM)的钢粉末。
另一个目的是提供通过使用本发明的粉末通过增材制造法形成的制品。
通过提供如本发明所述的钢，很大程度地实现了前述目的以及其他优点。
本发明如本文中所述。
一般目的通过提供以重量％(wt.％)计由以下组成的钢来实现：
Figure GDA0003420591430000021
任选地
Figure GDA0003420591430000022
余量为铁和杂质。
具体实施方式
以下简要说明单独的元素及其彼此相互作用的重要性，以及所要求保护的合金的化学成分的限制。在整个说明书中，钢的化学组成的所有百分比以重量％(wt.％)给出。相的量以体积％(vol.％)给出。各个元素的上限和下限可以在本发明中给出的限值中自由组合。数值的算术精度可提高一位。因此，给出为例如0.1％的值也可表示为0.10％。
碳(0.01％至0.08％)
碳有效地用于改善钢的强度和硬度。然而，如果含量太高，则钢在从热加工冷却之后可能难以机械加工。C应以0.01％的最小含量存在，优选以至少0.02％存在。碳的上限为0.08％。上限可为0.07％、0.06％、0.055％或0.05％。标称含量为0.030％。低碳含量改善可成形性，并产生强度和韧性的良好结合。
硅(0.05％至0.6％)
硅用于脱氧。Si也是强铁素体形成元素。因此将Si限制到0.6％。上限可为0.55％、0.50％、0.40％、0.35％、0.34％、0.33％、0.32％、0.31％、0.30％、0.29％或0.28％。下限可为0.10％、0.12％、0.14％、0.16％、0.18％或0.20％。优选的范围为0.15％至0.40％和0.20％至0.35％。
锰(0.1％至0.8％)
锰有助于改善钢的淬透性。如果含量太低，则淬透性可能太低。在较高的硫含量下，锰防止钢的热脆。因此锰应当以0.10％的最小含量存在，优选以至少0.15％、0.20％、0.25％或0.30％存在。钢应当包含最大0.8％的Mn，优选最大0.75％、0.70％、0.65％、0.50％、0.45％、0.40％或0.35％。优选的范围为020％至0.40％。
铬(3.9％至6.1％)
铬以至少3.9％的含量存在以提供良好的淬透性和耐腐蚀性。下限可为4.0％、4.1％、4.2％、4.3％、4.4％或4.5％。如果铬含量太高，则可能导致形成不期望的相。因此上限为6.1％，并且可设定为6.0％、59％、5.8％、5.7％、5.6％或5.5％。
镍(1％至3％)
镍是奥氏体稳定剂，它抑制δ铁素体的形成。镍给予钢良好的淬透性和韧性。镍还有益于钢的机械加工性和可抛光性。然而，过量的Ni添加导致过高量的残余奥氏体。下限可设定为1.1％、1.2％、1.3％、1.4％或1.5％。上限可设定为2.9％、2.8％、2.7％、2.6％或2.5％。
钼(7.0％至9.0％)
已知固溶体中的Mo对淬透性具有非常有利的影响。钼是强碳化物形成元素，也是强铁素体形成元素。在本发明中，Mo是在时效化期间形成析出硬化所需的。因此，Mo的量应为7％至9％。下限可为7.1％、7.2％、7.3％或7.4％。上限可为8.9％、8.8％、8.7％、8.6％或8.5％。
钴(9.0％至12.5％)
钴固溶于马氏体时效钢的基体中，并且不参与析出。然而，钴通常使Ms温度提高，因此使其他时效硬化元素的允许量增加，而不会留下过多的残余奥氏体。钴使钼在马氏体中的固溶度降低，并促进钼接触颗粒的更强析出，从而使得硬度增加。但是，非常高的Co含量可能降低具有高Mo含量的马氏体时效钢的Ms温度。因此，将Co限制为12.5％，上限可为12.4％、12.3％、12.2％、12.1％、12.0％、11.9％、11.8％或11.7％。下限可为9.5％、9.7％、9.9％、10.1％、10.2％、10.3％、10.4％或10.5％。
氮(0.01％至0.15％)
氮是强奥氏体形成元素，也是强氮化物形成元素。氮以0.01％至0.15％，优选0.02％至0.07％的范围存在。下限可为0.01％、0.02％或0.03％。因此上限可为0.10％、0.09％、0.08％、0.07％或0.06％。
本发明的发明人出乎意料地发现，可以将氮特意添加到钢中而不损害可抛光性。
铜(0.2％至6.5％)
Cu是有助于增加钢的硬度和耐腐蚀性的元素。在时效化期间形成的ε-Cu相不仅通过析出硬化来使钢强化，而且影响金属间相的析出动力学。除此之外，似乎Cu的添加导致金属间相在较高加工温度下的较慢生长。Cu的上限可为6.0％、5.5％、4.5％、4.0％、3.5％、3.0％、2.5％或2.0％。Cu的下限可为0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％或0.9％。
硼(0.002％至0.0008％)
硼是任选的元素，其可以以少量使用以增加淬透性并改善不锈钢的可热加工性。因此上限可以设定为0.007％、0.006％、0.005％或0.004％。
硫(0.01％至0.25％)
S可以任选地添加以改善钢的机械加工性。如果S用于此目的，则将S以0.01％至0.25％的量特意添加到钢中。在较高的硫含量下，存在热脆性的风险。此外，高硫含量可能对钢的疲劳特性和可抛光性具有负面影响。因此上限应当为0.25％，优选0.1％，最优选0.03％。优选的范围为0.015％至0.030％。然而，如果没有特意添加，则将S的量限制在如下所述的杂质含量。
铌(≤1％)
Nb是强的碳化物和氮化物形成元素。因此应限制该元素的含量以避免形成不期望的碳化物和氮化物。因此Nb的最大量为1％。通常不特意添加Nb。允许的杂质含量可设定至0.05％、0.03％、0.01％或0.005％。
Ti、Zr、Ta、Hf和Y(≤2％)
这些元素可以与C、B、N和/或O形成化合物。它们可以用于生产氧化物弥散强化(ODS)合金或氮化物弥散强化(NDS)合金。因此这些元素各自的上限为2％。上限可为1.5％、1.0％、0.5％或0.3％。然而，如果这些元素没有被特意添加以制造ODS合金，则上限可为0.1％、0.05％、0.01％或0.005％。
Ca、Mg、O和REM(稀土金属)
出于不同的原因，可以将这些元素以所要求保护的量任选地添加到钢中。这些元素通常用于对非金属夹杂物进行改性和/或进一步改善钢的机械加工性、可热加工性和/或可焊接性。因此优选将氧含量限制到0.03％。然而，如果使用氧以形成氧化物弥散强化(ODS)合金，则上限可高至0.80％。可以将氧化物混合到原位形成(例如，通过气体雾化，特别是通过使用气体雾化反应合成(GARS)或者在增材制造(AM)方法期间，特别是通过液态金属沉积(Liquid Metal Deposition，LMD)中的大气反应)的粉末中。
杂质元素
P、S和O是主要杂质，它们可能对钢的机械特性具有负面影响。因此可以将P限制在0.05％、0.04％、0.03％、0.02％或0.01％。如果没有特意添加硫，则可以将S的杂质含量限制在0.05％、0.04％、0.003％、0.001％、0.0008％、0.0005％或甚至0.0001％。
在一个实施方案中，钢满足以下要求中的至少一者：
Figure GDA0003420591430000061
在另一个实施方案中，钢满足以下要求中的至少一者：
Figure GDA0003420591430000062
和/或其中基体包含≥80体积％马氏体和/或≤20体积％奥氏体，和/或基体硬度为45HRC至58HRC。
和/或其中钢的厚度为至少100mm并且根据ASTM E10-01所测量的厚度方向上的相对平均布氏硬度值HBW10/3000的最大偏差小于5％，其中压痕的中心距试样的边缘或另一个压痕的边缘的最小距离应当为所述压痕的直径的至少2.5倍且最大距离应当不大于所述压痕的直径的4倍，和/或钢的洁净度满足根据ASTM E45-97方法A的关于微渣的以下最大要求：
A A B B C C D D
T H T H T H T H
1.0 0 1.5 1.0 0 0 1.5 1.0
在一个优选实施方案中，钢满足以下要求：
Figure GDA0003420591430000071
本发明的合金可以通过任何合适的方法来生产。合适方法的非限制性实例包括：
a)常规熔融冶金，然后铸造和热加工。
b)粉末冶金(PM)。
c)以大于103℃/秒的速度快速固化。
PM粉末可以通过预合金化钢的常规气体雾化或水雾化来生产。
如果将粉末用于AM，则气体雾化是优选的雾化方法，原因是使用生产具有高的圆度和低量的伴生物(satellite)的粉末颗粒的技术是重要的。特别地，紧耦合气体雾化方法可用于此目的。
优选至少80％的经气雾化的粉末颗粒具有5μm至150μm的范围内的尺寸。AM粉末颗粒的最大尺寸为150μm，优选的尺寸范围为10μm至100μm，平均尺寸为约25μm至45μm。
最受关注的AM方法是液态金属沉积(LMD)、选择性激光熔融(SLM)和电子束熔融(EBM)。粉末特征对AM也是重要的。根据ISO 4497用Camsizer测量的粉末尺寸分布应满足以下要求(以μm计)：
5≤D10≤35
20≤D50≤55
D90≤80。
优选地，至少90％的粉末颗粒的尺寸在10μm至100μm的范围内，优选地，粉末应满足以下尺寸要求中的至少一者(以μm计)：
10≤D10≤30
25≤D50≤45
D90≤70。
甚至更优选的是将粗粒级D90限制在≤60μm或甚至≤55μm。
粉末的球形度应是高的。球形度(SPHT)可以通过Camsizer测量并且在ISO 9276-6中限定。SPHT＝4πA/P2，其中A是被颗粒投影覆盖的测量面积，P是颗粒投影的测量周长/周界长。平均SPHT应为至少0.80，并且可以优选地为至少0.85、0.90、0.91、0.92、0.93、0.94或甚至0.95。此外，不大于5％的颗粒的SPHT应≤0.70。除SPHT之外，可以将横纵比用于粉末颗粒的分级。将横纵比定义为b/l，其中b是颗粒投影的最短宽度，l是最长直径。平均横纵比应优选地为至少0.85或更优选地为0.86、0.87、0.88、0.89或0.90。
本发明的合金是具有马氏体基体的可析出硬化钢。
可以通过任何合适的PM方法如PIM、MIM、ROC、HIP和常规压制和烧结，由本发明的预合金化粉末形成制品。优选地，使用增材制造(AM)方法。AM制品应满足以下要求中的至少一者：
基体包含≥80体积％马氏体；
基体包含≤20体积％奥氏体；
基体硬度为34HRC至56HRC；
垂直于构建方向的夏比V型缺口值≥5J；
垂直于构建方向的拉伸强度Rm≥1600MPa；
垂直于构建方向的屈服强度Rc0.2≥1500MPa；
垂直于构建方向的压缩屈服强度Rc0.2比拉伸屈服强度Rp0.2高至少10％。
夏比冲击测试可以根据EN 10045-1、ISO 148和/或ASTM A370使用10mm×10mm×55mm的标准试样尺寸进行。可以使用X射线衍射(XRD)和/或SEM中的电子背散射衍射(EBSD)测量奥氏体含量。
实施例
在该实施例中，将两种本发明的合金与优质热加工钢Uddeholm
Figure GDA0003420591430000091
进行了比较。
合金具有以下标称组成(以重量％计)：
Figure GDA0003420591430000092
余量为铁和杂质。
本发明的钢通过熔融和铸造形成为重量为约100g的小锭。冷却至室温后，对这些钢进行620℃下持续2小时的回火两次(2×2小时)。
常规地生产比较钢，并在真空炉中在1020℃下进行奥氏体化，然后在800℃至500℃的区间内以100秒的时间(t8/5＝100秒)进行气体淬火。冷却至室温后，还对比较钢进行615℃下持续2小时的回火两次(2×2小时)。
此后，在600℃的温度下检查合金的耐回火性。结果在表1中给出。
表1. 600℃下的耐回火性。硬度(HRC)与时间的关系。
Figure GDA0003420591430000101
虽然两种本发明的钢在测试开始时都具有较高的初始硬度，但根据表1明显的是，本发明的钢具有与比较钢
Figure GDA0003420591430000102
相比显著更好的耐回火性。对于本发明的钢，暴露于600℃下100小时后的硬度降低为约5HRC，而比较钢为约14HRC。因此，可以得出结论，本发明的钢不仅具有非常高的初始硬度，而且还具有优异的耐回火性。
工业适用性
本发明的钢特别适用于要求高且均匀的硬度以及高耐回火性的压模。本发明的钢也非常适合作为粉末用于PM和通过AM生产制品。

Claims (9)

1.一种用于制造热加工工具的钢，所述钢以重量％(wt.％)计由以下组成：
Figure FDA0003420591420000011
任选地
Figure FDA0003420591420000012
2.根据权利要求1所述的钢，其满足以下要求中的至少一者：
Figure FDA0003420591420000013
Figure FDA0003420591420000021
3.根据权利要求1或2所述的钢，其满足以下要求中的至少一者：
Figure FDA0003420591420000022
基体包含≥80体积％马氏体，
基体包含≤20体积％奥氏体，
基体硬度为45HRC至58HRC，
和/或其中所述钢的厚度为至少100mm并且根据ASTM E10-01所测量的厚度方向上的相对平均布氏硬度值HBW10/3000的最大偏差小于5％，以及其中压痕的中心距试样的边缘或另一个压痕的边缘的最小距离应当为所述压痕的直径的至少2.5倍且最大距离应当不大于所述压痕的直径的4倍，
和/或
所述钢的洁净度满足根据ASTM E45-97方法A的关于微渣的以下最大要求：
A A B B C C D D T H T H T H T H 1.0 0 1.5 1.0 0 0 1.5 1.0
。
4.根据权利要求1所述的钢，其满足以下要求：
Figure FDA0003420591420000031
5.一种预合金化粉末，具有根据权利要求1至4中任一项所限定的组成。
6.根据权利要求5中所限定的预合金化粉末，其中所述粉末通过气体雾化来生产，至少80％的粉末颗粒具有5μm至150μm的范围内的尺寸，以及其中所述粉末满足以下要求中的至少一者：
Figure FDA0003420591420000032
其中SPHT＝4πA/P2，其中A是被颗粒投影覆盖的测量面积，P是颗粒投影的测量周长/周界长，所述球形度(SPHT)根据ISO 9276-6通过Camsizer测量，以及其中b是所述颗粒投影的最短宽度，l是最长直径。
7.根据权利要求6中所限定的预合金化粉末，其中至少90％的所述粉末颗粒具有10μm至100μm的范围内的尺寸，以及所述粉末满足以下要求中的至少一者：
Figure FDA0003420591420000033
Figure FDA0003420591420000041
8.一种制品，使用根据权利要求5至7中任一项所限定的预合金化粉末通过增材制造法形成，其中所述制品满足以下要求中的至少一者：
基体包含≥80体积％马氏体，
基体包含≤20体积％奥氏体，
基体硬度为34HRC至56HRC，
垂直于构建方向的夏比V型缺口值≥5J，
垂直于构建方向的拉伸强度Rm≥1600MPa，
垂直于构建方向的屈服强度Rc0.2≥1500MPa，
垂直于构建方向的压缩屈服强度Rc0.2比拉伸屈服强度Rp0.2高至少10％。
9.根据权利要求8所述的制品，其中所述制品在进行620℃下持续两小时的时效化两次之后在室温下的硬度为至少52HRC，其中在将所述制品暴露于600℃的温度下50小时之后，所述硬度为至少50HRC。
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