CN111479937A - 热处理由马氏体时效钢制成的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热处理马氏体时效钢部件的方法，所述马氏体时效钢部件通过选择性激光熔化产生，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将马氏体时效钢部件从环境温度T0加热至600℃和640℃之间的最高温度Tmax，保持最高温度Tmax，持续时间在5小时和7小时之间，以及快速冷却部件。

Description

热处理由马氏体时效钢制成的部件的方法
技术领域
本发明属于由马氏体时效钢制成的部件的领域，所述部件通过增材制造获得，更具体地通过选择性激光熔化(SLM)获得。
本发明更具体地涉及这种部件的热处理，所述部件随后旨在与铸铝或注塑铝接触。
本发明还涉及一种制造铝制品的方法，所述方法包括在经受所述热处理的部件周围浇注铝或使铝注塑成型。
最后，本发明在制造用于固化和硫化轮胎的铝模具中具有特定应用，其中至少一个由马氏体时效钢制成并呈现薄片形式的这种部件用于在轮胎的胎面中形成沟槽。
背景技术
作为备忘录，将回想的是，“选择性激光熔化”是一种增材制造方法，其包括通过使用激光束扫描来熔化金属粉末薄层并将其焊接在一起，从而获得部件。
当该方法用于制造由马氏体时效钢制成的部件(例如前述薄片)时，由于在激光熔化过程中的温度升高和随后的快速冷却，因此会进行微型回火操作。这些微型回火操作不能产生带有析出物的清晰界定的晶格结构(即均匀有序的材料结构)，而是导致具有化学元素偏析(即化学元素的局部贫化和局部富集)的异质混合状态。
在制造轮胎固化和硫化模具的过程中，可以使用的一种方法包括制造包括未来轮胎胎面沟槽的第一花纹，然后通过该第一花纹使用柔性材料(例如硅烯(silastène))制造具有相反形状的模具，然后通过该模具使用易碎材料制造对应于轮胎轮廓的第二花纹，然后通过该第二花纹制造最终模具。
该最终模具通过在使用前述选择性激光熔化方法获得的由马氏体时效钢制成的薄片周围浇注铝而获得，使这些薄片成型为符合胎面的沟槽的形状。在这些薄片周围浇注铝会使其温度进一步升高，并加剧化学元素的偏析。
不均匀的微观结构和这些偏析使由马氏体时效钢制成的薄片变得易碎且脆弱，特别是降低了材料的伸长，使得在越过弹性变形区之后，所述薄片的强度较低。
从网站www.aircraftmaterials.com/data/nickel/C300.html可知一种热处理马氏体时效钢的方法，所述方法包括将马氏体时效钢加热至816℃的温度，然后将温度降低至482℃的退火温度，以达到最大硬度峰。然而，这种热处理具有使钢更加易碎的效果，因此不符合预期效果。
文献FR 2987293公开了一种用于制造三维物体的方法和用于实施该方法的装置。这种方法包括在载体上沉积第一粉末层，使用激光束使其熔化，然后对其进行热处理。因此，对每一层都要重复该方法。然而，除了对每一层而不是成品施加该热处理的事实之外，该热处理在400℃至500℃的温度范围内进行，因此不能提供本发明旨在解决的问题的解决方案。
发明内容
本发明的目的为克服现有技术的上述缺点。
本发明的目的为提出在由马氏体时效钢制成的部件与铸铝或注塑铝接触之前(例如在将部件插入用于固化和硫化轮胎的铝模具之前)对所述部件进行热处理，所述部件(特别是薄片)通过选择性激光熔化获得，该处理的目的为使其具有更好的韧性和更好的弹性。
为此，本发明涉及热处理由马氏体时效钢制成的部件的方法，所述部件通过选择性激光熔化获得，所述钢为包含以下物质的钢：小于或等于0.03％的碳百分数，17％和19％之间的镍含量，8.5％和9.5％之间的钴含量，4.5％和5.2％之间的钼含量，0％和0.8％之间的钛含量，0％和0.15％之间的铝含量，0％和0.5％之间的铬含量，0％和0.5％之间的铜含量，0％和0.1％之间的硅含量，0％和0.1％之间的锰含量，0％和0.01％之间的硫含量，0％和0.01％之间的磷含量，其余为铁，所有这些百分数均以相对于部件的总重量的重量表示。
根据本发明，该方法包括以下步骤：
-将所述由马氏体时效钢制成的部件从环境温度T0加热至600℃和640℃之间的最高温度Tmax，
-维持所述最高温度Tmax，持续时间在5小时和7小时之间，
-冷却所述部件。
通过本发明的这些特征，发现由此处理的由马氏体时效钢制成的部件具有很好的韧性(这意味着其可以更大程度地变形而不会断裂)和很好的弹性(这意味着其具有更好的吸收能量的能力)。这种处理还能够增加部件的伸长。
本发明还涉及至少一个由马氏体时效钢制成的部件的用途，所述部件使用前述用于制造由铝制成的制品的方法获得。
根据本发明，该用途包括以下步骤：
-将所述至少一个由马氏体时效钢制成的部件放入模具空腔中，
-在所述由马氏体时效钢制成的一个或多个部件周围将铝浇注或注入至所述模具空腔中，从而获得所述铝制品。
优选地，所述铝制品为轮胎固化和硫化模具或模具段(segment)，所述由马氏体时效钢制成的部件为薄片，所述薄片用于在所述轮胎的胎面中形成沟槽，在所述一个或多个薄片周围浇注铝从而获得所述模具。
附图说明
参考附图，从现在将给出的描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，所述附图以非限制性实施例的方式示出了其一种可能的实施方案。
在这些附图中：
-图1为用于在轮胎胎面中形成沟槽的由钢制成的薄片的一个示例性实施方案的立体图，
-图2为装配有至少一个前述薄片的轮胎固化和硫化模具的一个示例性实施方案，以及
-图3以曲线图的形式绘示了在根据本发明的热处理方法的各个步骤中温度随时间的变化。
具体实施方式
根据本发明的热处理方法用于处理由马氏体时效钢制成的部件，所述部件通过选择性激光熔化获得。
所使用的马氏体时效钢为以常规的方式包含以下物质的钢：小于或等于0.03％的碳百分数，17％和19％之间的镍含量，8.5％和9.5％之间的钴含量，4.5％和5.2％之间的钼含量，0％和0.8％之间的钛含量，0％和0.15％之间的铝含量，0％和0.5％之间的铬含量，0％和0.5％之间的铜含量，0％和0.1％之间的硅含量，0％和0.1％之间的锰含量，0％和0.01％之间的硫含量，0％和0.01％之间的磷含量，其余为铁(这些百分数以相对于制品的总重量的重量表示)。这种钢具有马氏体结构。
在固溶热处理和随后的老化之后，这种钢具有以下性质：高硬度(>550Hv)，良好的拉伸性质(Re>1500MPa，Rm>1600MPa)和疲劳性质，低热膨胀系数(小于或等于10.2×10-6 m/m.℃)。
当这种马氏体时效钢通过选择性激光熔化(SLM)的方法(即通过增材制造方法)获得时，其还具有未经后热处理的增材制造所固有的特定性质，例如非常精细的微观结构(由与该方法相关的显著热梯度所产生)，其有利于某些性质，例如弹性极限(>800MPa)、断裂荷载(>900MPa)以及硬度(>380Hv)。
如上所述，本发明的一个特定应用示例为制造轮胎固化和硫化模具。
图2显示了这种模具1的一个示例性实施方案(仅绘示了该模具1的一部分)。该具有环形整体形状的模具1由多个弯曲段10构成，所述弯曲段10成型为圆弧形状中的环形部分，所述环形部分旨在组装在一起以形成整个模具1。每个模具段10在其凹的内表面上具有多个薄片2，所述薄片2成型为胎面中的沟槽的形状。
通过参考图1可以看到这种薄片2的示例性实施方案。
薄片2呈波浪形。其包括两个部分，即部分21和部分22，由于部分21旨在嵌入构成模具段10后部100的铝中，因此其被称为“内部”，而由于部分22旨在从模具段的后部朝向模具1的中心突出，因此其被称为“外部”。
因此，例如，由马氏体时效钢制成并通过选择性激光熔化获得的该薄片2将经受根据本发明的热处理。
将参考图3描述该方法。
该热处理优选通过将待处理的由马氏体时效钢制成的部件放置在真空炉中进行。还可以在惰性气氛(例如氩气或氮气)下使用炉。
加热该部件并且加热时间为d1，在此过程中，其从环境温度T0转变为最高温度Tmax。然后保持所述最高温度Tmax，持续时间为d2。最后，在时间d3内将其快速冷却，在此过程中，其从最高温度Tmax转变为温度T0或基本上T0。
加热速度Vh等于(Tmax-T0)/d1。该加热速度Vh优选介于5℃/min和10℃/min之间，还更优选地，其为7.5℃/min。
初始温度T0对应于环境温度，即约20℃。
最高温度Tmax介于600℃和640℃之间，优选介于610℃和630℃之间，还更优选地，等于620℃。
保持该最高温度Tmax的持续时间d2介于5小时和7小时之间，还更优选地，为6小时或约6小时的时间。
冷却速度Vc等于(Tmax-T0)/d3。该冷却速度Vc优选介于420℃/min和480℃/min之间，优选介于440℃/min和460℃/min之间，还更优选地，其等于450℃/min。
真空热处理炉中的快速冷却在消除真空的情况下进行，即在空气中进行或通过注入例如作为旋转流的经冷却的惰性气体(如例如氮气和氢气)进行。这两种惰性气体特别能够与在炉中处理的部件进行快速热交换。
当所述方法在惰性气氛的炉中进行时，所有步骤(温度升高和降低)均在惰性气体气氛下进行。
在根据本发明的热处理结束时，所获得的由马氏体时效钢制成的部件包含45％和65％之间的奥氏体和55％和35％之间的马氏体。
还注意到Fe7Mo6和M6C碳化物析出的残留物的存在。
在这种情况(将前述热处理施加到用于产生胎面沟槽的薄片2上)下，还可以在薄片仍在其制造的压板上时进行热处理，从而能够避免变形。也可以将其拆下并将其放置在可以进入炉的架中。
本发明还涉及制造金属制品的方法，所述方法通常包括以下步骤：将至少一个已经受前述热处理方法的由马氏体时效钢制成的部件放入模具空腔中，在部件周围浇注或注入铝，以获得所述最终产品。
在制造前述模具1的情况下，将薄片2放入空腔(例如，由石膏制成)中，所述空腔的形状为模具1或该模具的段10的负片(倒像)。
将每个薄片2的外部22嵌入石膏中。封闭模具空腔，将铝浇注或注入其中。在冷却铝之后将石膏模具打碎，获得铝模具1或模具段10，其内部21嵌入铝中，薄片2的外部22从中突出。
进行测试以测量已经受各种方法的由马氏体时效钢制成的部件的断裂伸长A。这些结果汇总在下表1中。
表1
部件经受的各种方法步骤 断裂伸长A(％)
SLM 6％最大值
SLM+coulée alu 0.2％至1.5％
SLM+HT 6％最大值
SLM+HT+coulée alu 5％最大值
SLM＝在选择性激光熔化(SLM)方法结束时获得的由马氏体时效钢制成的部件。
HT＝根据本发明的热处理。
Coulée alu＝在约750℃的温度下浇注铸铝。
表1的结果显示，热处理对部件的疲劳行为具有积极影响。
具体地，可以注意到，如果在使用SLM处理获得由马氏体时效钢制成的部件之后直接进行浇注铸铝的处理，而不进行本发明的热处理(表的第2行)，则断裂伸长A显著降低。
相比之下，根据本发明的热处理能够使断裂伸长A保持与在选择性激光熔化处理结束时获得的原始部件的断裂伸长相同或基本相同。此外，当在根据本发明的热处理之后进行浇注铸铝时，发现与原始值相比，断裂伸长A略微降低。
对弹性极限和断裂荷载的拉伸性质进行的附加测试表明，如果在前述SLM步骤和浇注铝之间进行根据本发明的热处理，则这些值至少等于在通过SLM获得的部件上获得的值。
根据本发明的热处理方法对所获得的部件的耐冲击性也具有有益效果。

Claims (11)

1.热处理由马氏体时效钢制成的部件(2)的方法，所述部件通过选择性激光熔化获得，所述钢包含小于或等于0.03％的碳百分数，17％和19％之间的镍含量，8.5％和9.5％之间的钴含量，4.5％和5.2％之间的钼含量，0％和0.8％之间的钛含量，0％和0.15％之间的铝含量，0％和0.5％之间的铬含量，0％和0.5％之间的铜含量，0％和0.1％之间的硅含量，0％和0.1％之间的锰含量，0％和0.01％之间的硫含量，0％和0.01％之间的磷含量，其余为铁，所有这些百分数均以相对于部件的总重量的重量表示，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-将所述由马氏体时效钢制成的部件(2)从环境温度T0加热至600℃和640℃之间的最高温度Tmax，
-保持所述最高温度Tmax，持续时间在5小时和7小时之间，
-冷却所述部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最高温度Tmax介于610℃和630℃之间，优选等于620℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，保持所述最高温度Tmax，持续时间为6小时或约6小时。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，冷却速度Vc介于420℃/min和480℃/min之间。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷却速度Vc介于440℃/min和460℃/min之间，优选等于450℃/min。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，加热速度Vh介于5℃/min和10℃/min之间，优选等于7.5℃/min。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法在真空炉中进行。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，冷却在经冷却的惰性气体的旋转流中或在空气中进行。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述由马氏体时效钢制成的部件(2)为薄片，所述薄片用于形成轮胎固化和硫化模具的胎面沟槽。
10.至少一个由马氏体时效钢制成的部件(2)用于制造由铝制成的制品(1、10)的用途，所述部件通过根据权利要求1至9中任一项所述的方法获得，其特征在于，所述用途包括以下步骤：
-将所述至少一个由马氏体时效钢制成的部件(2)放入模具空腔中，和
-在所述由马氏体时效钢制成的部件(2)的周围将铝浇注或注入至所述模具空腔中，从而获得所述铝制品(1、10)。
11.根据权利要求10所述的用途，其特征在于，所述铝制品为轮胎固化和硫化模具(1)或模具段(10)，其中所述由马氏体时效钢制成的部件(2)为薄片，所述薄片用于在所述轮胎的胎面中形成沟槽，在所述一个或多个薄片周围浇注铝从而获得所述模具。
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