TW201631162A - 耐磨合金 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種藉由粉末冶金生產且具有一非-非晶態基質之合金，該合金由單位為重量%(wt.%)的以下各者構成： □可選元素、平衡Fe及/或Ni以及雜質其中該合金包含3至35體積%之硬質相顆粒，該等硬質相顆粒包含硼化物、氮化物、碳化物中的至少一者及/或其組合，該等硬質相顆粒之至少90%具有小於5μm之大小，且該等硬質相顆粒之至少50%具有在0.3至3μm的範圍內之大小。

Description

耐磨合金

本發明係關於一種基於Fe及/或Ni的耐磨合金。該合金摻合有硼以便形成硬質相顆粒。

【發明背景】

氮及釩合金化粉末冶金PM)之工具鋼由於其高硬度、高耐磨性及極佳耐磨蝕性之獨特組合而獲得大量關注。此等鋼具有廣泛範圍的應用，其中主要故障機制為黏著磨損或磨蝕。應用之典型領域包括下料及成型、精密下料、冷擠壓、深拉伸及粉末壓製。鹼性鋼組成物經霧化，受氮化，且此後將粉末填充至容器中且使其受熱均衡加壓(HIP)以便產生等向性鋼。在WO 00/79015 A1中描述以此方式製造之高效能鋼。

儘管已知鋼具有極有吸引力的特性特徵，但不斷地力求改良工具材料，以便進一步改良所生產之產品的表面品質且延長工具壽命(尤其在苛刻的工作條件下)，同時需要良好的耐磨蝕性及耐磨損性。在許多應用中，需要材料亦應為耐腐蝕的。

【發明揭露】

本發明之目標在於提供以粉末冶金(PM)生產之合金，其具有用於進階成型應用之改良的特性特徵。

本發明之另一目標在於提供以粉末冶金(PM)生產之合金， 其具有的組成物及微觀結構導致藉由在工具及模具中使用該合金而生產之產品的表面品質之改良。

藉由提供具有如申請專利範圍中陳述之具有組成物及微觀結構之合金，以顯著程度達成前述目標以及額外優點。

本發明定義於申請專利範圍中。

【詳細說明】

本發明係關於一種合金，其包含一硬質相，該硬質相主要由含有基於Fe及/或Ni之基質中之Fe及/或Ni的多元硼化物構成。較佳地，基質為可硬化的。二硼化物具有M₂M`B₂類型，其中M及M′表示多元硼化物之金屬。該等硼化物形成元素通常係自Cr、Mo、W、Ti、V、Nb、Ta、Hf及Co中選出。在當前狀況下，M為Mo，且M′為Fe及/或Ni。然而，硼化物可含有大量的其他硼化物形成元素中之一或多者。然而，在下文中，對於Fe基合金，二硼化物將被稱作Mo₂FeB₂，但硼化物亦可含有Ni及上文所提及之硼化物形成元素中的一或多者。類似地，在基於Ni之合金中，二硼化物將被稱作Mo₂NiB₂。硬質相顆粒之大小可藉由顯微影像分析來測定。由此獲得之大小為與投影面積與顆粒相同之圓的直徑(亦即等效圓直徑(Equivalent Circle Diameter；ECD))對應的直徑。

以下簡要解釋獨立元素之重要性及其與彼此的相互作用以及對所主張的合金之化學成分之限制。貫穿描述按重量%(wt.%)計給出鋼之化學組成物之所有百分比。個別元素之上限及下限可在申請專利範圍第1 項闡明之限值內自由組合。

碳(0%至2.5%)

碳無需存在於基於Ni之合金中。然而，在許多基於Fe之合金中，需要存在碳。低碳含量(如0.15%、0.05%、0.03或甚至0.01%)用於不同類型之不鏽鋼中。下限因此可被設定為0.005%、0.01%、0.02%或0.03%。可包括的碳的量為0.02%至0.9%、0.05%至0.5%、0.05%至0.2%或0.05%至0.25%，詳言之，用以在氧化鋁形成奧氏體(AFA)不鏽鋼中形成細微沉澱之NbC。另一方面，在許多工具鋼中，碳的最小值可被設定為0.1%或0.2%、0.3%或0.35%。碳的上限為2.5%。對於碳化物之形成及工具鋼中之硬化而言，碳具有其重要性。較佳地，調整碳含量以便獲得在奧氏體化溫度下熔解於基質中之0.4%至0.6%的C，從而產生在淬火之後的高強度基質。奧氏體化溫度較佳為1080至1120℃。在任何狀況下，應控制碳的量以使得鋼中之類型為M₂₃C₆、M₇C_3、M₆C、M₂C及MC之碳化物的量受到限制。因此，上限可被設定為2.1%、1.5%、1.3%、1.0%、0.8%、0.6%、0.5%或0.45%。

鉻(0%至25%)

鉻通常存在於基於Ni及Fe之合金中。下限為0%。然而，在基於Fe之合金中，在許多應用中，存在的鉻之含量至少為0.5%、1%、1.5%、2%、3%或3.5%，以便提供足夠的可硬化性。Cr較佳較高以用於在熱處理期間在大橫截面中提供良好可硬化性。若鉻含量過高，則此可導致非所需碳化物(諸如M₇C₃)之形成。另外，此亦可增加微觀結構中之殘留奧氏體之傾向。為了達成良好可硬化性，需要基質中熔解有至少2%的Cr，較佳為2.5%、3%、3.5%或4%。對於不鏽鋼應用，合金之基質中至少含有11%、 12%或13%的Cr為較佳的。下限可被設定為3.1%、3.2%、3.4%、3.6%、3.8%、4.0%或4.2%。上限可被設定為7.0%、6.5%、6.0%、5.4%或4.6%。另一方面，超過10%(較佳超過12%)的鉻含量用於不鏽鋼應用。不鏽鋼合金之上限為25%，且可被設定為20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%或13%。

鉬(4%至35%)

Mo為形成硬質硼化物之主要元素。在本發明中，使用大量的鉬以便獲得呈3至35體積%之量的硼化物Mo₂FeB₂之所要沉澱。存在的鉬的量應至少為4%。下限可為5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%或20%。上限為35%，以便避免脆性方面的問題。上限可被設定為34%、33%、32%、31%、30%、29%、28%、27%、26%、25%、24%、23%或22%。較佳範圍包括8%至32%、12%至30%及15%至25%。亦已知Mo對於可硬化性具有極有利影響，對獲得良好的二次硬化回應為至關重要的。出於此原因，較佳地，經1100℃淬火之後剩餘在基質中之Mo的量為1.5%至2.5%。然而，在硬化之後過多Mo熔解於基質中可導致殘留奧氏體的量過高，以及硬度降低。出於此原因，需要平衡Mo含量與含Mo之硬質硼化物相，以使得基質不含有超過4%或3.5%之熔解Mo，較佳不超過3.2%的Mo。熔解Mo之較佳範圍可被設定為2.1%至3.1%。出於此原因，Mo/B的比率可較佳地調整為範圍7至18，更佳地9至12。用於平衡比率Mo/B之另一原因在於避免鉬的過度剩餘，此情形可導致形成六角相M₂C，其中M主要為Mo及/或V。相M₂C的量可限於1.5體積%，較佳地1體積%或甚至0.5體積%。

硼(0.2%至2.8%)

硼(其為主要硬質相形成元素)應至少為0.2%，以便提供最小量為3%的硬質相Mo₂FeB₂。B的量限於2.8%，從而使合金不會過脆。下限可被設定為0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%或2.0%。上限可被設定為2.7%、2.6%、2.5%、2.4%、2.3%或2.2%。

鎢(22%)

存在的鎢的量可最高為22%，因為在基於Ni之合金、高速鋼(HSS)以及T型工具鋼中常常使用高含量的W。鎢之作用類似於Mo之作用。然而，為了獲得相同作用，必需添加以Mo之重量%計兩倍的W。鎢為昂貴的且其亦使廢金屬之處理複雜化。在基於Fe之合金中，最大量因此可限於3%、2.5%、2%、1.9%、1.8%、1.7%、1.6%、1.5%、1%、0.5%或0.3%。

釩(15%)

釩形成均勻分佈的類型MC之一次及二次沉澱碳化物。在本發明之鋼中，M主要為釩，但在一定程度上可存在Cr及Mo。V的最大添加量限於15%，且較佳最大量為5%。然而，在本發明狀況下，添加V以主要用於獲得硬化之前的鋼基質之所要組成物。因此，添加量可限於2.0%、1.5%、1.0%、0.9%、0.8%、0.7%、0.6%或0.5%。下限可被設定為0.05%、0.1%、0.12%、0.14%、0.16%、0.15%或0.2%。較佳範圍為0.1至0.5%的V。

鈮( 15%)

鈮與釩類似之處在於其形成MC。然而，為了獲得相同效果，必需添加以V之重量%計兩倍的Nb。Nb亦產生MC之角度更分明的形狀。因此，Nb之最大添加量限於15%，且較佳最大量為5%。上限可被設定 為4%、3%、2%、1%、0.5%、0.3%、0.1%或0.05%。可包括鈮以在氧化鋁形成奧氏體(AFA)不鏽鋼中形成細微沉澱之NbC。由此，較佳含量為0.1%至1.5%。

矽(2.5%)

矽可用於脫氧。Si亦增加碳活性且有益於可加工性。為了良好地脫氧，將Si含量調整為至少0.1%為較佳的。因此，較佳地，存在的Si的量為0.1%至2.5%。下限可被設定為0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%或0.4%。然而，Si為強鐵氧體形成元素，且應限於2.5%。上限可被設定為1.5%、1%、0.8%、0.7%或0.6%。較佳範圍為0.2%至0.8%。在特定合金(如某些類型的鋁合金化不鏽鋼)中，不需要大量的Si。因此，上限亦可被設定為0.6%、0.5%、0.4%、0.3%、0.2%、0.1%或0.05%。

錳(0%至15%)

Mn為奧氏體形成元素，且增加合金中氮的溶解度。因此，存在的Mn的量可最高為15%。錳有助於改良鋼之可硬化性，且與硫錳一起有助於藉由形成硫化錳而改良可加工性。因此，存在的錳之最小含量可為0.1%，較佳為至少0.2%。在較高的硫含量下，錳防止鋼中之熱脆性。上限可被設定為10%、5%、2.5%、1.5%、1.2%、1.0%、0.8%或0.6%。然而，在Fe基合金中，較佳範圍為0.2%至0.8%及0.2%至0.6%。

鎳

鎳可被用作平衡物以使具有Mo₂NiB₂的基於Ni之產品成為主要硬質相。然而，在基於Fe之合金中，Ni為可選的，且其存在的量可較佳不超過25%、20%或15%。其給予鋼良好的可硬化性及韌性。鎳可用於連 同Al一起形成金屬間相，且因此用於馬氏體時效鋼(maraging steel)中之沉澱強化。另外，Ni在AFA合金中為不可或缺的，且由此其存在的量常常在10%至30%之範圍內。由於費用，許多鋼中之鎳含量受到限制。因此，在基於Fe之合金中，上限可被設定為5%、2%、1.0%或0.3%。

鐵

鐵可被用作平衡物以使具有Mo₂FeB₂之基於Fe之產品成為主要硬質相。然而，在基於Ni之合金中，Fe為可選的，且其存在的量可不超過15%。上限可為8%、7%、6%、5%、4%或3%。

銅(5.0%)

Cu為可選元素，其可有助於增加鋼之硬度及耐腐蝕性。上限可為4%、3%、2%、1%、0.9%、0.7%、0.5%、0.3%或0.1%。然而，一旦已添加銅，即不可能自鋼提取銅。此極大地使廢料處理更加困難。出於此原因，通常不有意添加銅。

鈷(20%)

Co為可選元素，其存在的量可不超過20%。Co熔解於鐵中(鐵氧體及奧氏體)，且使其強化，同時賦予高溫強度。Co增加M_s溫度。Co可主要取代Mo₂FeB₂硼化物中之Fe。鈷常常用於高速鋼中。然而，Co為昂貴的。因此，上限可被設定為8%、7%、6%、5%、4%或3%。較佳最大含量為2%。然而，廢料處理將更困難。出於此原因，無需有意添加Co。

Ti、Ta、Zr、Hf、Y及REM

此等元素可形成硼化物、氮化物氧化物及/或碳化物，且出於一或多個目的(諸如更改硬質相之組成物，改良抗氧化性)，可以所要求 的範圍存在於合金中。REM表示稀土金屬，且包括具有原子序數21或57至71之元素。然而，對於許多應用，不有意添加此等元素中之任一者。

磷

P為雜質元素及固體溶液強化元素。然而，P往往會分離至晶界，減小內聚力，且藉此減小韌度。因此，P通常限於0.05%。

硫(0.5%)

S有助於改良鋼之可加工性。在較高硫含量下，存在熱脆性之風險。此外，高硫含量可能對鋼之疲勞特性具有負面影響。因此，鋼應含有0.5%，較佳0.03%。

氮(0.5%)

氮為可選組份。N可存在於固體溶液中，但亦可連同B及C一起見於硬質相顆粒中。上限可為0.4%、0.3%、0.2%、0.15%、0.1%、0.05%及0.03%。

鋁(7%)

鋁為可選組份。可添加Al以便使合金脫氧，以用於形成金屬間化合物或用於提供抗氧化性。詳言之，鋁可用於類型為FeCrAl或FeCrAlY之鐵磁體合金以及氧化鋁形成之奧氏體(AFA)不鏽鋼中。在後一類型之合金中，最小含量可被設定為0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.6%或2%。脫氧之下限可被設定為0.005%、0.01%或0.03%。若Al用於形成氧化鋁之保護表層，則下限可被設定為1%、1.5%、2%、2.5%或3%。上限為7%，但可被設定為6%、5%、4.5%、4%或3.5%。

可以粉末形式使用鋼以用於增材製造(AM)，詳言之，藉由 使用用於雷射熔融或電子束熔融的工業設備。因此，其可用於提供基板上之耐磨包層。粉末亦可用於火焰噴塗或其類似者。

藉由粉末冶金(較佳藉由氣體霧化)生產之合金，且具有非-非晶態基質，該合金由單位為重量%(wt.%)的以下各者構成：

平衡Fe及/或Ni以及雜質，該合金包含具有以下各者中的至少一者之3至35體積%的硬質相顆粒：硼化物、氮化物、碳化物及/或其組合，較佳地，硬質相顆粒的至少60%由Mo₂FeB₂或Mo₂NiB₂構成。硬質相顆粒的至少90%具有小於5μm之大小，且硬質相顆粒的至少50%具有在0.3至3μm的範圍內之大小。較佳地，將Mo/B比率調整為7至18之範圍，且合金之基質不含有超過4%的Mo。可選擇鋼組成物及熱處理以向鋼給予鐵磁體、馬氏體、奧氏體或雙奧氏體/鐵磁體基質。馬氏體基質中殘留的奧氏體的量可限於15體積%、10體積%、5體積%或2體積%。

實施例1

將具有下文列出的組成物(單位為wt.%)之10kg合金熔融於實驗室鍋爐中，且經受Ar氣霧化。

粉末經篩分為<500μm，填充於具有63mm之直徑及150mm之高度的鋼包套中。在1150℃之溫度下執行HIP，保持時間為2小時，且壓強為110MPa。冷卻速率<1℃/s。在1130℃下將由此獲得之材料鍛造成 尺寸20×30mm。在900℃下執行軟退火，以10℃/h的冷卻速率降溫至750℃，且其後在空氣中自由冷卻。藉由以下動作執行硬化：在1100℃下奧氏體化30分鐘，繼之以在水中淬火，繼之以回火。回火之後的硬度測試之結果在表1中列出。

硬質相的量經發現為24vol.%，且硼化物經發現具有較小的大小。不同大小類別之硼化物的面積分數在下文表2中列出。

圖1中展示微觀結構。Mo₂FeB₂硼化物之高面積分率及均勻分佈會產生具有極好抗磨蝕特性之材料，以使得將有可能省掉如PVD、CVD及TD之表面處理。

實施例2

如實施例1中所描述，生產具有下文列出的組成物之合金。

硬質相Mo₂FeB₂的量經發現為25.1vol.%，且硼化物經發現為細微的，且均勻地分佈在基質中。通過Termo-Calc軟體使用鋼資料庫來計算硬化之後的基質之組成物。基質經發現含有12.3%的Cr及2.8%的Mo，其指示良好的耐腐蝕性。

實施例3

如實施例1中所描述，生產具有下文列出的組成物之合金，但氮氣用於霧化。

Fe 平衡物。

硬質相Mo₂FeB₂的量經發現為12.6vol.%，且硼化物經發現為細微的，且均勻地分佈在基質中。除此之外，MC的量經發現為0.6%，其中M主要為Nb。計算出之基質組成物經發現含有0.02%的C、12.0%的Cr、3%的Mo、17.4%的Ni、2.3%的Al及0.2%的Nb。因此，此實施例之合金可分類為硼化物強化之氧化鋁形成之奧氏體(AFA)不鏽鋼。

實施例4

藉由氣體霧化生產硼化物強化之沉澱硬化不鏽鋼。鋼合金具有以下組成物(單位為wt.%)：

硬質相Mo₂FeB₂的量經發現為13.9vol.%，且硼化物經發現為細微的，且均勻地分佈在基質中。計算出之基質組成物經發現含有0.035%的C、12.05%的Cr、2.2%的Mo、8.6%的Ni及1.6%的Al。此鋼為馬氏體時效鋼，其可藉由在525℃至600℃之溫度下老化而硬化至在40至52 HRC的 範圍內之所要基質硬度。作為高度合金化基質之結果，該鋼經發現具有優越的耐腐蝕性，且因此為極適合用於塑膠模塑含有腐蝕性添加劑之塑膠及橡膠的模具材料。

工業適用性

本發明之合金適用於廣泛範圍之應用。詳言之，該鋼適用於要求極高耐磨蝕性之應用。

Claims (14)

1. 一種藉由粉末冶金生產且具有一非-非晶態基質之合金，該合金由單位為重量%(wt.%)的以下各者構成： 平衡Fe及/或Ni以及雜質，其中該合金包含3至35體積%之硬質相顆粒，該等硬質相顆粒包含硼化物、氮化物、碳化物中的至少一者及/或其組合，該等硬質相顆粒之至少90%具有小於5μm之大小，且該等硬質相顆粒之至少50%具有在0.3至3μm之範圍內的大小。
2. 如申請專利範圍第1項之合金，其中該合金滿足以下條件中的至少一者：該合金包含5至30體積%之硬質相顆粒，該等硬質相顆粒之至少90%具有3μm之大小，該等硬質相顆粒之至少80%具有在0.3至3μm之範圍內的大小，該等硬質相顆粒之至少60%由Mo₂FeB₂或Mo₂NiB₂構成，該合金具有98%之一理論密度(TD)，該合金之該基質不含有超過4%的Mo，該合金不含有超過5%的殘留奧氏體。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之合金，其中該合金用Fe進行平衡，且滿足以下條件中的至少一者： 該等硬質相顆粒之至少80%由Mo₂FeB₂構成，及/或該合金之該基質不含有超過3.8%的Mo。
4. 如前述申請專利範圍中任一項之合金，其中Ni含量5，且該合金滿足以下條件中的至少一者： 該等硬質相顆粒之至少90%由Mo₂FeB₂構成，該合金之該基質不含有超過3.5%的Mo，該合金不含有超過2%的殘留奧氏體。
5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之合金，其中該合金用Fe進行平衡，且滿足以下條件中的至少一者：
6. 如申請專利範圍第5項之合金，其中該合金具有一奧氏體基質，且非金屬硬質相顆粒之至少60%由Mo₂FeB₂或Mo₂NiB₂構成，其中該合金之表面包含一層Al₂O₃。
7. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之合金，其中該合金用Fe進行平衡，且滿足以下條件中的至少一者：
8. 如前述申請專利範圍中任一項之合金，其中該合金滿足以下條件中的至少一者：
9. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之合金，其中該合金用Fe進行平衡，且金屬基質經硬化並滿足以下條件：C 0.4至0.5，
10. 如前述申請專利範圍中任一項之合金，其中該合金包含15至25體積%的硬質相顆粒，且其中該等硬質相顆粒之該大小4μm。
11. 如申請專利範圍第1項之合金，其中該合金呈藉由使一熔體霧化而獲得的一預合金化粉末之形式，該熔體包含：
12. 如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之合金，其中該合金已經受霧化及熱均衡加壓，從而導致該合金為等向性。
13. 一種如前述申請專利範圍中任一項之合金之用途，其用於藉由使用熱均衡加壓、粉末擠壓及增材製造中之任一者而製造固體物件。
14. 一種如申請專利範圍第1項至第9項及第11項中任一項之合金之用途，其被用作用於衝壓、成型、下料、精密下料、擠壓、深拉、粉末加壓或在用於模鑄或塑膠模塑之一零件或模具中的一工具。