CN1382825A - 一种用于粉末冶金制备零件的工具钢合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种用于粉末冶金制备具有改善了的使用质量的零件,特别是工具的工具钢合金。为了将重要的性能特性弯曲断裂强度,冲击弯曲功和耐磨性均匀地调节到高水平,根据本发明的合金主要含有下列元素(以重量%计)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%的伴生元素和炼制过程中带进的杂质,铁(Fe)为余量,这种合金作为材料用来粉末冶金制备零件,制得的零件含有小于100ppm的氧(O)含量和相应于根据德国工业标准50602检测的Ko－值最高为3的非金属夹杂物的含量和构型。

Description

一种用于粉末冶金制备零件的工具钢合金
本发明涉及到一种用于粉末冶金制备零件，特别是工具的工具钢(Kaltarbeitsstahl)合金，用其所制得的工具具有高的韧度和硬度以及高的耐磨性和抗材料疲劳性能。
通常对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。然而调节材料的一种要求到特别合适自然地要损害材料对其它的负载的耐久性，结果对于工具的高的使用质量就应该有多种多样的高水平性能特性，换句话说，一种工具的使用性能是各种单个材料性能的折衷。然而出于经济的原因，总是期望得到的工具或零件具有总体上改善了的材料性能。
高效的工具钢成分全部都具有碳化物的硬相份额和接受这个碳化物的基体相部分，这些相特别是对于在材料中这些相的份额方面与合金中的化学组成有关。
对于传统的合金在铸模中凝固而制备的方法，合金中的碳的含量和形成碳化物的元素的含量由于凝固动力学而受到限制，因为对于高的含量最先从熔液析出的碳化物要形成粗的不均匀的材料结构，这样就造成了不良的机械性能，并且对材料的可加工性产生不良的影响或甚至妨碍了材料的可加工性。
为了能一方面考虑到提高了的碳化物份额而提高形成碳化物元素的浓度和碳的含量及由此改进材料的耐磨性能，然而另一方面要保证成品零件或工具足够的可加工性能，均匀性和韧度，所以要采用粉末冶金制备材料。
材料的粉末冶金(PM)制备基本上包括将钢熔液用气体或更确切地说氮气喷射或分散成细微液滴，液滴以高的凝固速度固化成金属粉末，将该金属粉末加入到铸模中并且在此压缩，封闭该铸模，在该铸模中加热以及热均匀地模压(HIP)该金属粉末而形成致密的均匀材料。这样制备的PM-材料能直接地热均匀模压地用来制备零件或工具或在这之前进行热变形，例如通过锻造和/或轧制。
高要求的工具或零件，例如刀具，阳模以及底模和这一类的工具根据负载同时要求材料的耐侵蚀磨损性，高的韧度和抗疲劳性能。为了降低磨损要求高含量的硬的有时粗的碳化物，优选为单碳化物，然而随着碳化物含量的增大材料的韧度就要降低。对于在材料处于非常高波动的或交替的机械应力下基本上不形成裂纹的抗疲劳性能又是通过高的基体硬度和较少的碳化物颗粒的起始裂纹和非金属的夹杂物而促进的。
如上所述，零件或工具的使用质量是在热时效处理状态下材料的耐磨性，韧度和抗疲劳性能的折衷。为了普遍提高工具钢的质量，在本专业中已试验很长时间以总体提高钢的性能特性。
本发明的目的是考虑到各种要求并在保证质量的情况下提高在热时效处理状态下的机械特性值，即工具钢材料的弯曲断裂强度，冲击弯曲功和耐磨性。
这个目的根据本发明的一种工具钢合金而能达到，该合金含有(以重量％计)：
碳(C)            2.05-2.65
硅(Si)           上限为2.0
锰(Mn)           上限为2.0
铬(Cr)           6.10-9.80
钨(W)            0.50-2.40
钼(Mo)           2.15-4.70
钒(V)            7.05-9.0
铌(Nb)           0.25-2.45
钴(Co)           上限为10.0
硫(S)            上限为0.3
氮(N)            0.04-0.22
镍(Ni)           上限为1.50
以及含量直至2.6的伴生元素和炼制过程中带进的杂质，铁(Fe)为余量，用这种成分含量的合金粉末冶金制备具有高韧度和硬度以及高的耐磨性和抗材料疲劳性能的零件，特别是工具，该零件具有小于100ppm的氧(O)含量和根据德国工业标准50602检测的Ko-值最高为3的相应的非金属夹杂物的含量和构型。
根据本发明通过同时考虑到组织结构以及组织相的单一和总性能的最佳化而采取的合金技术的和方法工艺的措施而使得材料的质量有显著的改善。
人们已认识到，不仅仅是碳化物量而且对于同样量的碳化物的形态学对于材料的韧度具有意义，因为这与在基体中碳化物之间的自由行程，即缺陷大小有关。在制备的特定的工具时，考虑到耐磨性，碳化物应该是基本上单碳化物，其在基体中是均匀分布的，并且具有小于10μm，优选为小于4μm的直径。
钒和铌是最强烈的碳化物形成元素，出于合金技术的原因，通常钒的浓度范围为7.05-9.0重量％，铌的浓度范围为0.25-2.45重量％。这样一方面可形成单碳化物，而且形成优越的(VNb)-混合碳化物，另一方面在这个含量范围内，由于钒和铌的原因在材料中有这样一种碳亲合力，即其他的形成碳化物的元素铬，钨和钼在根据本发明的浓度范围内可与剩余的碳用于混合结晶增强，并且提高基体硬度。高于9.0重量％的钒和/或高于2.45重量％的铌将降低基体强度，特别是降低材料的抗疲劳性能，相反地低于7.05重量％的钒和/或0.25重量％的铌要导致更多地形成较软的碳化物相，如M7C3-碳化物，这就会降低钢的耐磨性。
对于2.05-2.65重量％这么窄的碳含量范围和根据本发明的形成单碳化物的元素的浓度下，在热时效处理时合金的二次硬度势能特别地通过0.5-2.4重量％的钨和2.15-4.70重量％的钼而能被充分利用并改善合金的耐回火性。含量为6.10-9.80重量％的铬是用来混合晶体增强的，在此为了提高工具钢的二次硬度和基体硬度，氮的含量为0.04-0.22重量％对本发明是重要的。
比在根据本发明中所给出的钨，钼和铬的含量范围更高或更低的含量都会妨碍协同作用，至少降低工具钢的性能，并且有时对工具钢的可应用性产生不良的影响。
如本文开头所述，要得到零件或工具的高的使用质量除了合金技术的前提条件外制备工艺措施也是重要的。因为从高的材料韧度的角度就得避免由于缺陷大小最小化而在热均匀模压了的材料中出现可能较粗的碳化物局部聚集形成所谓的碳化物簇，所以在粉末冶金制备或在粉末产生时在方法技术上这样来调节粉末颗粒大小分布，即至少60％的粉末颗粒的粒度小于100μm。与小的金属粉末颗粒相联系的熔液小滴高的凝固速率如所发现的那样影响细微单碳化物的均匀分布和与碳含量有关的粉末颗粒的过饱和基块。
在热均匀模压期间和在压制件可能进行热变形期间，由于在高温下的扩散，基块的过饱和度减小，细微的圆的单碳化物生长至所期望的小于10μm的粒度，在此其他的合金元素有目的进一步填充入混合晶体中并且最终增强基体。通过这种制备技术考虑到最小缺陷大小，碳化物形态学和基体组成以根据本发明的材料组成为前提条件朝着二次硬度势能的最大化方向而得到调节。在此由于其重要性通常所采用的铌浓度由于被调节的颗粒生长应当被再次提到。
根据本发明的材料的氧化纯度具有特别的意义，因为由于非金属的夹杂物不仅能损害材料的机械性能，而且由于这些非金属在材料凝固和热处理时产生不利的成核效应。对本发明也重要的是，用纯度至少为99.999％的氮气喷射高纯合金并避免粉末颗粒表面物理吸附氧气直至铸模闭合，这样gehipte的材料具有小于100ppm的氧含量和相应于根据德国工业标准50602检测的Ko-值最高为3的非金属夹杂物含量和构型。
优选的实施形式在从属权利要求书中说明。
根据比较试验的结果可更清楚地解释本发明。
表1列出了根据本发明的钢合金和比较钢合金的化学组成。
表2列出了钢合金机械检测时的测得值
图1示出了用来测定弯曲断裂强度的测试装置
图2示出了用于确定冲击弯曲功的试样形状
图3示出用来测量摩擦阻力的装置(示意图)
图4为钢合金的弯曲断裂强度的对比图
图5为冲击弯曲功的对比图
图6为钢合金的摩擦阻力的对比图
从表1可看出根据本发明的工具钢合金(含金A)和比较合金(B-J)的化学组成。
表2给出了根据本发明的合金A和比较合金B至J的弯曲断裂强度，冲击弯曲功和摩擦阻力的测试结果。
钢合金的弯曲断裂强度用一个时效处理到61HRC的圆试样(Rd＝5.0mm)在根据图1的装置上测定。预应力Fr为200N，到达预应力的速度为2mm/min和测试速度为5mm/min。
根据图2形状的试样进行各种钢合金的冲击弯曲功测定。
从图3示意图可获知用于测量摩擦阻力的装置。
假如现在在图4中所图示出的测试图根据本发明的合金A的弯曲断裂强度与比较合金(B至J)的弯曲断裂强度(表2)比较，那么合金E，F，H，I各自具有有规律的高的强度值，在此合金I具有最高的弯曲断裂强度。
对工具钢合金的各自的冲击弯曲功的比较(图5)，合金I又具有最高值。根据本发明的合金A的测试数据和合金F的测试数据对于这个机械性能具有稍小的值。
合金的摩擦阻力的测试结果在图6中图示比较，在此合金H和根据本发明的合金A被测得具有最高值。
从这些测试结果可以获知，根据本发明的工具钢合金的重要的性能特性，弯曲断裂强度，冲击弯曲功和摩擦阻力都有规律的处于高的水平并且是一种优质的新合金。
重量％ 合金A* 合金B 合金C 合金D 合金E 合金F 合金G 合金H 合金I 合金J
C 2,44 2,55 2,49 2,42 2,61 2,63 2,52 2,44 2,49 2,30
Si 0,98 1,05 0,95 1,12 0,97 1,13 0,87 0,94 0,63 0,32
Mn 0,52 0,53 0,49 0,55 0,66 0,71 0,55 0,50 0,32 0,31
Cr 6,22 6,93 6,12 6,27 6,08 6,21 6,28 5,66 4,19 12,31
W 1,41 0,95 2,74 1,30 1,06 1,50 2,22 0,05 3,68 0,35
Mo 3,98 3,95 3,78 4,00 3,60 3,98 5,05 1,31 3,21 1,17
V 8,12 7,85 7,92 7,88 6,77 7,83 8,20 9,84 8,72 3,94
Nb 1,19 1,15 1,12 1,86 1,45 0,61 0,9 0,01 ---- ----
S 0.008 0,011 0,03 0,012 0,028 0,009 0,039 0,07 0,01 0,013
N 0.095 0,08 0,064 ---- ---- 0,09 0,06 0,075 0,038 0,13
Co 0,4 ＜0.1 ---- ---- ＜0,1 0,13 0,038 ---- ---- 0,04
Ni 0,7 0,43 0,17 0,28 0,89 0,51 0,76 ---- 0,36 ----
O 0,0091 0,032 ---- ---- 0,041 0,068 0,044 ---- 0,054  0,0098
         *合金A＝根据本发明的合金                          表1
   时效处理为各自61HRC的硬度   合金*     弯曲断裂强度[N/mm2]四点弯曲试验     冲击弯曲功[J]不开槽的试样     摩擦阻力[l/g]相对于SiC-砂纸
  合金A合金B合金C合金D合金E合金F合金G合金H合金I合金J     4843448745244636472048254585471648454468     43,5343536,839,94335364433     14,714,514,314,1513,112,814,3514,7313,8011,86
           *合金A＝根据本发明的合金
                                                                          表2

Claims (4)

1.一种含有下列成分的工具钢合金，以重量％计
碳(C)            2.05-2.65
硅(Si)           上限为2.0
锰(Mn)           上限为2.0
铬(Cr)           6.10-9.80
钨(W)            0.50-2.40
钼(Mo)           2.15-4.70
钒(V)            7.05-9.0
铌(Nb)           0.25-2.45
钴(Co)           上限为10.0
硫(S)            上限为0.3
氮(N)            0.04-0.22
镍(Ni)           上限为1.50
以及直至2.6的伴生元素和炼制过程中带进的杂质，铁为余量，以这种成分的合金用于粉末冶金制备具有高的韧度和硬度以及高的耐磨性和抗材料疲劳性能的零件，特别是工具，这种部件具有小于100ppm的氧(O)含量和相应于根据德国工业标准50602检测的Ko-值最高为3的非金属夹杂物的含量和构型。
2.根据权利要求1的工具钢合金，其具有下列浓度值的一种或多种元素，以重量％计
C           2.30-2.59
Si          0.80-1.50
Mn          0.30-1.40
Cr          6.12-7.50
Ni          上限为1.0
W           0.60-1.45
Mo              2.40-4.40
V               7.40-8.70
Nb              0.50-1.95
N               0.06-0.25
和(Mn-S)值至少为0.19。
3.根据权利要求1或2的工具钢合金，其具有下列浓度值的一种或多种元素，以重量％计
Si              0.85-1.30
Mn              0.40-0.80
Cr              6.15-6.95
Ni              上限为0.90
Mo              3.55-4.40
V               7.80-8.59
Nb              0.75-1.45
N               0.06-0.15
4.一种由含有下列元素的工具钢合金进行粉末冶金制备零件或工具的方法，以重量％计
C               2.05-2.65
Si              上限为2.0
Mn              上限为2.0
Cr              6.10-9.80
W               0.50-2.40
Mo              2.15-4.70
V               7.05-9.0
Nb              0.25-2.45
Co              上限为10.0
S               上限为0.3
N               0.04-0.32
Ni             上限为1.50
以及含有直至2.6的伴生元素和炼制过程中带进的杂质，铁(Fe)为余量，在此液态合金被调节和用纯度为99.999％的氮气喷射成至少60％的颗粒大小为100μm或小于100μm的颗粒大小分布的金属粉末，然后在维持在氮气气氛中和隔绝颗粒表面的氧的物理吸附条件下，将粉末充入铸模并且闭合铸模，粉末在热均匀模压过程形成完全致密的材料，任选地接着进行热变形加工，在此根据温度均匀分布的单碳化物生成为小于10μm颗粒大小。
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