CN1156595C - 具有高热稳定性的pm高速钢 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用粉末冶金技术制备的高速钢物件，优选用于高速切削特别是轻金属及轻金属合金的切削工具。为提高热稳定性和韧性以及降低磨损，特别是切削工具的上述性能，按本发明规定，PM物件具有与按DIN50602测试的值K0最高为3相应的高纯度以及以重量%计的下列化学组成：C 1.51至2.5；Si 至0.8；Mn 至1.5；Cr 3.5至4.5；W 13.3至15.3；Mo 2.0至3.0；V 4.5至6.9；Co 10.05至12.0；S 至0.52；N 至0.2；O 最多100ppm；具有值：锰减去硫(Mn-S)最少为0.19，其余为铁和制备所引起的杂质和伴生元素，前提条件是，钨与钼的浓度比在5.2至6.5之间，钴的含量最高为钨+钼的值的70%。

Description

具有高热稳定性的PM高速钢
本发明涉及一种具有高拉热强度和韧性的高速钢物件，其利用粉末冶金技术，通过使用氮气将液态合金金属流分散为金属粉末，并在高温，多维压力下将粉末密实来制备，并任选地加以热变形。
高性能高速钢包括含有约0.8-1.0重量％碳，14-18重量％钨，约4.5重量％铬，最多2重量％钼，至少1.2-1.5重量％钼，至少1.2-1.5重量％钒以及3-20重量％钴，其余为铁的合金。这种高速钢达到的高性能的原因在于易生成碳化物的元素钒，钨，钼和铬与通过基体材料或基质起作用的元素钴的协同作用。除了钨和钼，钒特别适于将合金调节至具有最高约600℃的高回火稳定性。在同时具有高含量碳和高含量钒的条件下，也生成大量钒碳化物，由此导致材料的特别的耐磨强度。因此，尤其精加工工具用具有提高含量的碳和钒的高速钢来制备。但是，在用铸模中凝固的熔体冶金或熔体技术上，用化学组成为1.3-1.5重量％C，约13重量％W，4重量％Cr，1重量％Mo，8-12重量％Co和约4.5重量％V，其余为铁的合金好象实现了经济的可制备性，但这里，这种材料已经因为高碳化物含量和凝固结构而复杂化，得用降低了的窄锻造温度来变形，在热调质状态下具有很小的韧性值，尤其是纸的冲击弯曲韧性。
为了一方面可以鉴于提高碳化物比例并借此提高材料的耐磨损性能而进一步提高碳含量和生成碳化物的元素的浓度，但另一方面为了实现足够的可加工性和由此制备的物件的均匀度，利用粉末冶金技术制备这种合金零件是有利的。
粉末冶金制备基本上包括将钢熔体喷为金属粉末，将金属粉末引入套中并在套中密实，封闭套，加热，热均衡地压缩套中的粉末，得到密实均匀的材料。
这种PM材料可以直接在相应的热处理后用于制备物件或预先经过热变形，例如通过锻造。
对于为了经济地加工零件高要求的高速钢物件，特别是具有高的寿命的切削工具，要求一种复杂的高的性能分布。
本发明的任务是，制备一种高速钢物件，优选那些用于高性能切削工具的高速钢物件，其具有高的氧化物纯度，借此具有很低的引发裂纹的可能性以及提高的切削边缘的锐度，此高速钢物件还在适当的韧性下具有高硬度，在材料的热调质状态下具有高耐磨损性以及改善的热硬度或高的热稳定性。
本发明的另一个目的是，提供高速钢物件用作在不添加润滑剂条件下高速切削材料，特别是切削加工轻金属及其合金的工具。
按本发明的任务通过开始提到的那种高速钢物件得以实现，此物件具有与根据DIN50602测试的值K0最高为3相应的非金属夹杂物的含量和形态的高纯度，以及下面的化学组成，以重量％计，
碳(C)           1.51至2.5
硅(Si)          至0.8
锰(Mn)          至1.5
铬(Cr)          3.5至4.5
钨(W)           13.3至15.3
钼(Mo)          2.0至3.0
钒(V)           4.5至6.9
钴(Co)          10.05至12.0
硫(S)           至0.52
氮(N)           至0.3
氧(O)           最多100ppm
具有值：锰减去硫(Mn-S)至少为0.19，其余为铁和制备所引起的杂质和伴生元素，前提条件是，钨与钼的浓度比在5.2至6.5之间，钴的含量最高为钨+钼之值的70％。
用按本发明的物件实现的优点被看作是改善材料性能方面的总和效应，正如生动的描述中，一个链只具有其最薄弱环节的负荷能力。氧化物夹杂物是大部分有棱角结构的缺陷，如已发现的，从临界的尺寸开始成为在调质至高硬度的材料中在可能变换的应力状态下的裂纹的起点。因为在具有高的热硬度或热稳定性的基体中，裂纹引发通过材料中的粗大氧化物超比例增多，但是如已表明的，具有很小的直径和很小的纵向长度的夹杂物却起很小的作用，按本发明根据DIN50602方法测试非金属夹杂物中最高为3的累积参数K0被认为非常重要。
按本发明合金突出的性能分布由元素间以其各自的活性相互作用协同产生。这里，重要的是，在高速钢中元素碳，铬，钨，钼，钒和钴的浓度值在很窄的范围内，含氧量不超过一个最高值。含碳量鉴于元素钨，钼和钒与其的高亲和性而确定。上述合金金属生成稳定的一次碳化物，但二次硬质碳化物也按相互作用和各自的活性贮入基体混合晶体中。
如果碳浓度超过2.5重量％，高速钢材料显著变脆，会导致物件，例如切削工具的不可使用。低于1.51重量％的含量减少了碳化物比例，并减小了材料的十分重要的耐磨损性能。按本发明，合金的碳含量为1.51-2.5重量％。
最高值为4.5重量％的铬浓度基于这样的原因，因为较高的含量导致基体中这样的铬比例，其在硬度上稳定地作用于剩余含量的奥氏体。最低值3.5重量％的铬通过混合晶体中合金原子的嵌入而达到混合晶体希望的增强作用，以致于按本发明材料中的含量范围设定为3.5-4.5重量％。
钨和钼具有高的亲碳性，快速生成同类碳化物，根据学术界多方支持的观点，基于各自的原子量可按质量含量2∶1进行交换。惊奇地发现，这种可交换性并不完全地出现，而是可以通过这些合金元素各自的活性，调控混合碳化物的生成和混合晶体中元素的组成，对此在讨论高速钢的热稳定性时还要作进一步探讨。
钒是最强的单碳化合物生成组分之一，其碳化物的特征是高的硬度，并赋予材料的特别的耐磨损性能。这种耐磨损性能可以通过形成细小的、基本上均匀分布的单碳化物，如其通过粉末冶金制备材料产生的那样，加以促进。特别是钒但还有元素钨和钼在高温下部分溶解，这在将物件强行冷却后，通过回火处理析出极细分布的富含钒的二次碳化物，产生重要的二次硬度潜能，对材料的热稳定性具有有利的作用。含量高于6.9重量％的钒或者引起合金中较高的碳含量，由此使合金脆化，或者引起基体强度的贫化和减小，特别是基体的热稳定性的减小。低于4.5重量％的钒浓度导致调质零件的耐磨损性能严重劣化。
钴在高速钢中是不生成碳化物的元素，但是增强了基体，大大促进物件的耐热性能。高于12.0重量％的高含量钴在所述的高速钢中使材料的基体脆化，反之，低于10.05重量％的浓度在高温下明显减小基体硬度。
按本发明设定范围10.05-12.0重量％的钴基于高的扩散系数，在硬化零件的回火中因为增强了晶核的生成，使扩散过程变得容易化，并由此二次碳化物析出物以大的数目和量精细分布地生成，此外只缓慢地粗化，有利于基体强度，特别是高温下的基体强度。
精细的二次碳化物，其赋予调质状态下的材料以高的硬度和强度，通过高的使用温度下的扩散过程而长大即其实现了聚集。通过合金中和证明一致地在二次碳化物中的高的钨含量产生由于钨原子的尺寸而相对元素钼和钒来说较小的扩散系数，以致于引起体系在高温下实质上的缓慢粗化，稳定化，如已发现的，对于混合碳化物也是如此。按本发明在13.3-15.3重量％的钨比例在上述含量的其它易生成碳化物的元素的条件下确保高温下二次硬质碳化物的粗化倾向很小，并因此长时间碳化物粒子间距很小，这使得基体晶格中的移动受阻，材料的软化延迟。这种材料还在高的热负荷下更长时间较硬，也即具有高的热稳定性。
钼在反应动力学或混合碳化物生成方面具有重要的意义，其中按本发明有效的是含量调节至2.0-3.0。
最高含量为100ppm的氧是根据要求的材料的非金属夹杂物的数量和材料的性能分布而设定。
对于调质材料的高的热稳定性具有重要意义的是钨和钼的浓度比以及取决于这些元素的钴浓度。当钨和钼含量的比值为5.2至6.5时，高温下二次碳化物粒子粗化的速度以及由此产生材料的硬度降低最小，其中低于70％的钴含量，根据钨和钼浓度总和测定，增加了用于生成二次碳化物的晶种点，由此同样促进了精细分散的分布，这总体上保证了高速钢物件的热稳定性。
合金中的硅虽然可增强混合晶体并可脱氧，但是从材料的可硬化性角度出发，其含量不应超过0.8重量％。
锰虽然可以影响材料的硬度性能，但是尤其与硫含量共同考虑，其中硫和锰由于生成硫化物夹杂物被看作为改善钢的可加工性的元素。钢中优选的很少的锰含量的值是：锰减去硫不低于0.19，因为由此可能产生高使用温度下的热变形问题和下降的材料性能。
氮可以由于在本发明材料中生成高温下难溶的碳氮化物而有利于改善热稳定性，但是应该在合金中只存在最高含量为0.2重量％，以避免制备问题。
在本发明的实施方案中，为进一步改善高速钢的使用性能，基于上述组成的这种高速钢可以具有下列以重量％计的浓度值的一种或多种元素。
C           1.75至2.38
Si          0.35至0.75
Mn          0.28至0.54
Cr          3.56至4.25
W           13.90至14.95
Mo          2.10至2.89
V           4.65至5.95
Co          10.55至11.64
N           0.018至0.195
在这种化学组成的元素特定的限制下，材料的各个性能可以特别得以促进。
合金组分的浓度范围的进一步窄化可能有利地用于实现针对特别的使用情况的材料修正，其中基于最先提及的组成的物件具有以重量％计的下列浓度值的一种或多种元素。
C           1.69至2.29
Si          0.20至0.60
Mn          0.20至0.40
Cr          3.59至4.19
W           13.60至14.60
Mo          2.01至2.80
V           4.55至5.45
Co          10.40至11.50
N           0.02至0.1
(O)         最多90ppm
本发明另一个目的通过将具有高热稳定性和韧性的高速钢-切削工具用于在无润滑剂的情况下高速切削材料零件，尤其是轻金属，及其合金组成的材料零件，而得以实现，所述高速钢-切削工具利用粉末冶金技术，通过使用氮气分散液态合金金属流为金属粉末，在高温，多维压力下将粉末密实来制备，任选地进行热变形，具有与根据DIN 50 602测试的值K0最高为3相应的非金属夹杂物的含量和形态的高纯度以及下列化学组成，以重量％计，
C           1.51至2.5
Si          至0.8
Mn          至1.5
Cr          3.5至4.5
W           13.3至15.3
Mo          2.0至3.0
V           4.5至6.9
Co          10.05至12.0
S           至0.52
N           至0.2
O           最多100ppm具有值：锰减去硫(Mn-S)最少为0.19，其余为铁和制备所引起的杂质及伴生元素，前提条件是，钨和钼的浓度比为5.2至6.5，钴的含量最高为钨+钼的值的70％。在这种要求下已表明，在困难条件下通过使用按发明的工具可实现特别大的使用寿命的提高，这可在切削加工中带来经济上的特别益处。
借助于比较试验，将进一步阐述本发明。
由表I可见按本发明的高速钢物件和比较材料的化学组成。
图1中表示材料的回火曲线。试样的几何尺寸和热处理条件如下：
试样几何尺寸：半圆盘Rd  30×10mm
真空中1210℃下奥氏体化
氮气流中淬火
回火：3×2H
图2比较地表示在下列试样数据条件下，4点弯曲方法中材料的弯曲断裂强度。
试验按图2a中所述及下面说明的条件进行。
试样几何尺寸：
圆状试样Rd 5.0mm
真空中1210℃硬化
回火：3×2h
图3中以对时间的对数依赖关系描述了材料在650℃下的热硬度变化，其中所有试样具有近似相同的初始硬度67至68 HRC。这种热硬度测试借助由材料权威中心Leoben(Werkstoff-KompetenzzentrumLeoben)发展的动力学方法(金属学杂志(Zeitschrift für Metallkunde)90(1999)8，637)来进行。
由比较试验结果可以看出，不同材料的硬度-回火曲线(图1)紧挨在一起，在高于570℃的回火温度下，合金1产生最高的硬度值。
虽然按本发明的材料具有最高的弯曲断裂韧性(图2)，但是与比较材料的差别不是特别明显。
比较高速钢材料的热硬度(图3)时可见，按本发明组成的物件有明显的优势。
这种材料的高的热硬度和特别的氧化物纯度在实际使用中使得，在高速干加工条件下，中断切割铝硅合金构成的铸件时，改善切削工具的寿命约38％，其中磨损主要归因于Al-Si合金中硅的累积的增加。
                                           表1  按本发明的高速钢和比较合金的化学组成
  组成％     C     W     Mo     V    Co   Si   Mn     S     N     O  Mn-S  W/Mo
  合金1   2,30   6,32   6,52   6,15   10,30  0,62  0,28  0,002  0,074  0,007  0,28   0,97
  合金2   3,40   10,00   4,80   9,50   8,50  0,61  0,38  0,016  0,050  0,020  0,36   2,08
  合金3   2,15   13,00   0,00   6,20   9,90  0,73  0,28  0,008  0,067  0,020  0,27     /
  合金4   2,10   14,00   5,70   5,30   11,40  0,31  0,27  0,006  0,039  0,012  0,26   2,46
  按本发明的合金   2,00   14,30   2,50   5,00   11,00  0,40  0,30  0,018  0,050  0,007  0,28   5,72

Claims (8)

1.具有高的热稳定性和韧性的高速钢物件，其利用粉末冶金技术，通过用氮气将液态合金金属流分散为金属粉末，并在高温，多维压力下将粉末密实制备，该物件具有与根据DIN50602测试的值K0最高为3相应的非金属夹杂物的含量和形态的高纯度以及下列化学组成，以重量％计，
碳(C)         1.51至2.5
硅(Si)        至0.8
锰(Mn)        至1.5
铬(Cr)        3.5至4.5
钨(W)         13.3至15.3
钼(Mo)        2.0至3.0
钒(V)         4.5至6.9
钴(Co)        10.05至12.0
硫(S)         至0.52
氮(N)         至0.2
氧(O)         最多100ppm具有值：锰减去硫(Mn-S)最少为0.19，其余为铁，制备所引起的杂质和伴生元素，前提条件是，钨与钼的浓度比在5.2至6.5之间，钴的含量最高为钨+钼的值的70％。
2.权利要求1的高速钢物件，其具有以重量％计的下列浓度值的一种或多种元素
C             1.75至2.38
Si            0.35至0.75
Mn            0.28至0.54
Cr            3.56至4.25
W             13.90至14.95
Mo            2.10至2.89
V           4.65至5.95
Co          10.55至11.64
N           0.018至0.195
3.权利要求1的高速钢物件，其具有以重量％计的下列浓度值的一种或多种元素
C           1.69至2.29
Si          0.20至0.60
Mn          0.20至0.40
Cr          3.59至4.19
W           13.60至14.60
Mo          2.01至2.80
V           4.55至5.45
Co          10.40至11.50
N           0.02至0.1
(O)         最多90ppm
4.权利要求1-3之任一项的高速钢物件，其中所述的在高温下被密实的粉末被热变形。
5.权利要求1-3之任一项的高速钢物件，其中所述高速钢物件是作为切削工具形成的。
6.具有高的热稳定性和韧性的高速钢-切削工具的用途，用于在无润滑剂的情况下高速切削材料零件，所述高速钢-切削工具利用粉末冶金技术，通过使用氮气将液态合金金属流分散为金属粉末，并在高温，多维压力下将粉末密实制备，具有与根据DIN50602测试的值K0最高为3相应的非金属夹杂物的含量和形态的高纯度以及下列以重量％计的化学组成
C           1.51至2.5
Si          至0.8
Mn          至1.5
Cr          3.5至4.5
W           13.3至15.3
Mo          2.0至3.0
V           4.5至6.9
Co          10.05至12.0
S           至0.52
N           至0.2
O           最多100ppm
具有值：锰减去硫(Mn-S)最少为0.19，其余为铁和制备所引起的杂质和伴生元素，前提条件是，钨与钼的浓度比在5.2至6.5之间，钴的含量最高为钨+钼的值的70％。
7.权利要求6的高速钢-切削工具的用途，其中所述的被密实的金属粉末被热变形。
8.权利要求6或7的高速钢-切削工具的用途，用于高速切削轻金属及其合金的材料零件。
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