專利名稱：具有高熱穩(wěn)定性的pm高速鋼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有高拉熱強度和韌性的高速鋼物件，其利用粉末冶金技術，通過使用氮氣將液態(tài)合金金屬流分散為金屬粉末，并在高溫，多維壓力下將粉末密實來制備，并任選地加以熱變形。
高性能高速鋼包括含有約0.8-1.0重量％碳，14-18重量％鎢，約4.5重量％鉻，最多2重量％鉬，至少1.2-1.5重量％鉬，至少1.2-1.5重量％釩以及3-20重量％鈷，其余為鐵的合金。這種高速鋼達到的高性能的原因在于易生成碳化物的元素釩，鎢，鉬和鉻與通過基體材料或基質起作用的元素鈷的協(xié)同作用。除了鎢和鉬，釩特別適于將合金調節(jié)至具有最高約600℃的高回火穩(wěn)定性。在同時具有高含量碳和高含量釩的條件下，也生成大量釩碳化物，由此導致材料的特別的耐磨強度。因此，尤其精加工工具用具有提高含量的碳和釩的高速鋼來制備。但是，在用鑄模中凝固的熔體冶金或熔體技術上，用化學組成為1.3-1.5重量％C，約13重量％W，4重量％Cr，1重量％Mo，8-12重量％Co和約4.5重量％V，其余為鐵的合金好象實現(xiàn)了經(jīng)濟的可制備性，但這里，這種材料已經(jīng)因為高碳化物含量和凝固結構而復雜化，得用降低了的窄鍛造溫度來變形，在熱調質狀態(tài)下具有很小的韌性值，尤其是紙的沖擊彎曲韌性。
為了一方面可以鑒于提高碳化物比例并借此提高材料的耐磨損性能而進一步提高碳含量和生成碳化物的元素的濃度，但另一方面為了實現(xiàn)足夠的可加工性和由此制備的物件的均勻度，利用粉末冶金技術制備這種合金零件是有利的。
粉末冶金制備基本上包括將鋼熔體噴為金屬粉末，將金屬粉末引入套中并在套中密實，封閉套，加熱，熱均衡地壓縮套中的粉末，得到密實均勻的材料。
這種PM材料可以直接在相應的熱處理后用于制備物件或預先經(jīng)過熱變形，例如通過鍛造。
對于為了經(jīng)濟地加工零件高要求的高速鋼物件，特別是具有高的壽命的切削工具，要求一種復雜的高的性能分布。
本發(fā)明的任務是，制備一種高速鋼物件，優(yōu)選那些用于高性能切削工具的高速鋼物件，其具有高的氧化物純度，借此具有很低的引發(fā)裂紋的可能性以及提高的切削邊緣的銳度，此高速鋼物件還在適當?shù)捻g性下具有高硬度，在材料的熱調質狀態(tài)下具有高耐磨損性以及改善的熱硬度或高的熱穩(wěn)定性。
本發(fā)明的另一個目的是，提供高速鋼物件用作在不添加潤滑劑條件下高速切削材料，特別是切削加工輕金屬及其合金的工具。
按本發(fā)明的任務通過開始提到的那種高速鋼物件得以實現(xiàn)，此物件具有與根據(jù)DIN50602測試的值K0最高為3相應的非金屬夾雜物的含量和形態(tài)的高純度，以及下面的化學組成，以重量％計，碳(C) 1.51至2.5硅(Si) 至0.8錳(Mn) 至1.5鉻(Cr) 3.5至4.5鎢(W) 13.3至15.3鉬(Mo) 2.0至3.0釩(V) 4.5至6.9鈷(Co) 10.05至12.0硫(S) 至0.52氮(N) 至0.3氧(O) 最多100ppm具有值錳減去硫(Mn-S)至少為0.19，其余為鐵和制備所引起的雜質和伴生元素，前提條件是，鎢與鉬的濃度比在5.2至6.5之間，鈷的含量最高為鎢+鉬之值的70％。
用按本發(fā)明的物件實現(xiàn)的優(yōu)點被看作是改善材料性能方面的總和效應，正如生動的描述中，一個鏈只具有其最薄弱環(huán)節(jié)的負荷能力。氧化物夾雜物是大部分有棱角結構的缺陷，如已發(fā)現(xiàn)的，從臨界的尺寸開始成為在調質至高硬度的材料中在可能變換的應力狀態(tài)下的裂紋的起點。因為在具有高的熱硬度或熱穩(wěn)定性的基體中，裂紋引發(fā)通過材料中的粗大氧化物超比例增多，但是如已表明的，具有很小的直徑和很小的縱向長度的夾雜物卻起很小的作用，按本發(fā)明根據(jù)DIN50602方法測試非金屬夾雜物中最高為3的累積參數(shù)K0被認為非常重要。
按本發(fā)明合金突出的性能分布由元素間以其各自的活性相互作用協(xié)同產(chǎn)生。這里，重要的是，在高速鋼中元素碳，鉻，鎢，鉬，釩和鈷的濃度值在很窄的范圍內，含氧量不超過一個最高值。含碳量鑒于元素鎢，鉬和釩與其的高親和性而確定。上述合金金屬生成穩(wěn)定的一次碳化物，但二次硬質碳化物也按相互作用和各自的活性貯入基體混合晶體中。
如果碳濃度超過2.5重量％，高速鋼材料顯著變脆，會導致物件，例如切削工具的不可使用。低于1.51重量％的含量減少了碳化物比例，并減小了材料的十分重要的耐磨損性能。按本發(fā)明，合金的碳含量為1.51-2.5重量％。
最高值為4.5重量％的鉻濃度基于這樣的原因，因為較高的含量導致基體中這樣的鉻比例，其在硬度上穩(wěn)定地作用于剩余含量的奧氏體。最低值3.5重量％的鉻通過混合晶體中合金原子的嵌入而達到混合晶體希望的增強作用，以致于按本發(fā)明材料中的含量范圍設定為3.5-4.5重量％。
鎢和鉬具有高的親碳性，快速生成同類碳化物，根據(jù)學術界多方支持的觀點，基于各自的原子量可按質量含量2∶1進行交換。驚奇地發(fā)現(xiàn)，這種可交換性并不完全地出現(xiàn)，而是可以通過這些合金元素各自的活性，調控混合碳化物的生成和混合晶體中元素的組成，對此在討論高速鋼的熱穩(wěn)定性時還要作進一步探討。
釩是最強的單碳化合物生成組分之一，其碳化物的特征是高的硬度，并賦予材料的特別的耐磨損性能。這種耐磨損性能可以通過形成細小的、基本上均勻分布的單碳化物，如其通過粉末冶金制備材料產(chǎn)生的那樣，加以促進。特別是釩但還有元素鎢和鉬在高溫下部分溶解，這在將物件強行冷卻后，通過回火處理析出極細分布的富含釩的二次碳化物，產(chǎn)生重要的二次硬度潛能，對材料的熱穩(wěn)定性具有有利的作用。含量高于6.9重量％的釩或者引起合金中較高的碳含量，由此使合金脆化，或者引起基體強度的貧化和減小，特別是基體的熱穩(wěn)定性的減小。低于4.5重量％的釩濃度導致調質零件的耐磨損性能嚴重劣化。
鈷在高速鋼中是不生成碳化物的元素，但是增強了基體，大大促進物件的耐熱性能。高于12.0重量％的高含量鈷在所述的高速鋼中使材料的基體脆化，反之，低于10.05重量％的濃度在高溫下明顯減小基體硬度。
按本發(fā)明設定范圍10.05-12.0重量％的鈷基于高的擴散系數(shù)，在硬化零件的回火中因為增強了晶核的生成，使擴散過程變得容易化，并由此二次碳化物析出物以大的數(shù)目和量精細分布地生成，此外只緩慢地粗化，有利于基體強度，特別是高溫下的基體強度。
精細的二次碳化物，其賦予調質狀態(tài)下的材料以高的硬度和強度，通過高的使用溫度下的擴散過程而長大即其實現(xiàn)了聚集。通過合金中和證明一致地在二次碳化物中的高的鎢含量產(chǎn)生由于鎢原子的尺寸而相對元素鉬和釩來說較小的擴散系數(shù)，以致于引起體系在高溫下實質上的緩慢粗化，穩(wěn)定化，如已發(fā)現(xiàn)的，對于混合碳化物也是如此。按本發(fā)明在13.3-15.3重量％的鎢比例在上述含量的其它易生成碳化物的元素的條件下確保高溫下二次硬質碳化物的粗化傾向很小，并因此長時間碳化物粒子間距很小，這使得基體晶格中的移動受阻，材料的軟化延遲。這種材料還在高的熱負荷下更長時間較硬，也即具有高的熱穩(wěn)定性。
鉬在反應動力學或混合碳化物生成方面具有重要的意義，其中按本發(fā)明有效的是含量調節(jié)至2.0-3.0。
最高含量為100ppm的氧是根據(jù)要求的材料的非金屬夾雜物的數(shù)量和材料的性能分布而設定。
對于調質材料的高的熱穩(wěn)定性具有重要意義的是鎢和鉬的濃度比以及取決于這些元素的鈷濃度。當鎢和鉬含量的比值為5.2至6.5時，高溫下二次碳化物粒子粗化的速度以及由此產(chǎn)生材料的硬度降低最小，其中低于70％的鈷含量，根據(jù)鎢和鉬濃度總和測定，增加了用于生成二次碳化物的晶種點，由此同樣促進了精細分散的分布，這總體上保證了高速鋼物件的熱穩(wěn)定性。
合金中的硅雖然可增強混合晶體并可脫氧，但是從材料的可硬化性角度出發(fā)，其含量不應超過0.8重量％。
錳雖然可以影響材料的硬度性能，但是尤其與硫含量共同考慮，其中硫和錳由于生成硫化物夾雜物被看作為改善鋼的可加工性的元素。鋼中優(yōu)選的很少的錳含量的值是錳減去硫不低于0.19，因為由此可能產(chǎn)生高使用溫度下的熱變形問題和下降的材料性能。
氮可以由于在本發(fā)明材料中生成高溫下難溶的碳氮化物而有利于改善熱穩(wěn)定性，但是應該在合金中只存在最高含量為0.2重量％，以避免制備問題。
在本發(fā)明的實施方案中，為進一步改善高速鋼的使用性能，基于上述組成的這種高速鋼可以具有下列以重量％計的濃度值的一種或多種元素。
C 1.75至2.38Si 0.35至0.75Mn 0.28至0.54Cr 3.56至4.25W 13.90至14.95Mo 2.10至2.89V 4.65至5.95Co 10.55至11.64N 0.018至0.195在這種化學組成的元素特定的限制下，材料的各個性能可以特別得以促進。
合金組分的濃度范圍的進一步窄化可能有利地用于實現(xiàn)針對特別的使用情況的材料修正，其中基于最先提及的組成的物件具有以重量％計的下列濃度值的一種或多種元素。
C 1.69至2.29Si 0.20至0.60Mn 0.20至0.40Cr 3.59至4.19W 13.60至14.60Mo 2.01至2.80V 4.55至5.45Co 10.40至11.50N 0.02至0.1(O) 最多90ppm本發(fā)明另一個目的通過將具有高熱穩(wěn)定性和韌性的高速鋼-切削工具用于在無潤滑劑的情況下高速切削材料零件，尤其是輕金屬，及其合金組成的材料零件，而得以實現(xiàn)，所述高速鋼-切削工具利用粉末冶金技術，通過使用氮氣分散液態(tài)合金金屬流為金屬粉末，在高溫，多維壓力下將粉末密實來制備，任選地進行熱變形，具有與根據(jù)DIN 50 602測試的值K0最高為3相應的非金屬夾雜物的含量和形態(tài)的高純度以及下列化學組成，以重量％計，C 1.51至2.5Si 至0.8Mn 至1.5Cr 3.5至4.5W 13.3至15.3Mo 2.0至3.0V 4.5至6.9Co 10.05至12.0
S 至0.52N 至0.2O 最多100ppm具有值錳減去硫(Mn-S)最少為0.19，其余為鐵和制備所引起的雜質及伴生元素，前提條件是，鎢和鉬的濃度比為5.2至6.5，鈷的含量最高為鎢+鉬的值的70％。在這種要求下已表明，在困難條件下通過使用按發(fā)明的工具可實現(xiàn)特別大的使用壽命的提高，這可在切削加工中帶來經(jīng)濟上的特別益處。
借助于比較試驗，將進一步闡述本發(fā)明。
由表I可見按本發(fā)明的高速鋼物件和比較材料的化學組成。


圖1中表示材料的回火曲線。試樣的幾何尺寸和熱處理條件如下試樣幾何尺寸半圓盤Rd 30×10mm真空中1210℃下奧氏體化氮氣流中淬火回火3×2H圖2比較地表示在下列試樣數(shù)據(jù)條件下，4點彎曲方法中材料的彎曲斷裂強度。
試驗按圖2a中所述及下面說明的條件進行。
試樣幾何尺寸圓狀試樣Rd 5.0mm真空中1210℃硬化回火3×2h圖3中以對時間的對數(shù)依賴關系描述了材料在650℃下的熱硬度變化，其中所有試樣具有近似相同的初始硬度67至68 HRC。這種熱硬度測試借助由材料權威中心Leoben(Werkstoff-KompetenzzentrumLeoben)發(fā)展的動力學方法(金屬學雜志(Zeitschrift für Metallkunde)90(1999)8，637)來進行。
由比較試驗結果可以看出，不同材料的硬度-回火曲線(圖1)緊挨在一起，在高于570℃的回火溫度下，合金1產(chǎn)生最高的硬度值。
雖然按本發(fā)明的材料具有最高的彎曲斷裂韌性(圖2)，但是與比較材料的差別不是特別明顯。
比較高速鋼材料的熱硬度(圖3)時可見，按本發(fā)明組成的物件有明顯的優(yōu)勢。
這種材料的高的熱硬度和特別的氧化物純度在實際使用中使得，在高速干加工條件下，中斷切割鋁硅合金構成的鑄件時，改善切削工具的壽命約38％，其中磨損主要歸因于Al-Si合金中硅的累積的增加。
表1 按本發(fā)明的高速鋼和比較合金的化學組成
權利要求
1.具有高的熱穩(wěn)定性和韌性的高速鋼物件，其利用粉末冶金技術，通過用氮氣將液態(tài)合金金屬流分散為金屬粉末，并在高溫，多維壓力下將粉末密實制備，并且任選地被熱變形，特別是切削工具，該物件具有與根據(jù)DIN50602測試的值K0最高為3相應的非金屬夾雜物的含量和形態(tài)的高純度以及下列化學組成，以重量％計，碳(C) 1.51至2.5硅(Si) 至0.8錳(Mn) 至1.5鉻(Cr) 3.5至4.5鎢(W) 13.3至15.3鉬(Mo) 2.0至3.0釩(V) 4.5至6.9鈷(Co) 10.05至12.0硫(S) 至0.52氮(N) 至0.2氧(O) 最多100ppm具有值錳減去硫(Mn-S)最少為0.19，其余為鐵，制備所引起的雜質和伴生元素，前提條件是，鎢與鉬的濃度比在5.2至6.5之間，鈷的含量最高為鎢+鉬的值的70％。
2.權利要求1的高速鋼物件，其具有以重量％計的下列濃度值的一種或多種元素C 1.75至2.38Si 0.35至0.75Mn 0.28至0.54Cr 3.56至4.25W 13.90至14.95Mo 2.10至2.89V 4.65至5.95Co 10.55至11.64N 0.018至0.195
3.權利要求1的高速鋼物件，其具有以重量％計的下列濃度值的一種或多種元素C 1.69至2.29Si 0.20至0.60Mn 0.20至0.40Cr 3.59至4.19W 13.60至14.60Mo 2.01至2.80V 4.55至5.45Co 10.40至11.50N 0.02至0.1(O) 最多90ppm
4.具有高的熱穩(wěn)定性和韌性的高速鋼-切削工具的用途，用于在無潤滑劑的情況下高速切削材料零件，尤其是輕金屬，及其合金組成的材料零件，所述高速鋼-切削工具利用粉末冶金技術，通過使用氮氣將液態(tài)合金金屬流分散為金屬粉末，并在高溫，多維壓力下將粉末密實制備，并且任選地被熱變形，具有與根據(jù)DIN50602測試的值K0最高為3相應的非金屬夾雜物的含量和形態(tài)的高純度以及下列以重量％計的化學組成C 1.51至2.5Si 至0.8Mn 至1.5Cr 3.5至4.5W 13.3至15.3Mo 2.0至3.0V 4.5至6.9Co 10.05至12.0S 至0.52N 至0.2O 最多100ppm具有值錳減去硫(Mn-S)最少為0.19，其余為鐵和制備所引起的雜質和伴生元素，前提條件是，鎢與鉬的濃度比在5.2至6.5之間，鈷的含量最高為鎢+鉬的值的70％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用粉末冶金技術制備的高速鋼物件,優(yōu)選用于高速切削特別是輕金屬及輕金屬合金的切削工具。為提高熱穩(wěn)定性和韌性以及降低磨損,特別是切削工具的上述性能,按本發(fā)明規(guī)定,PM物件具有與按DIN50602測試的值K0最高為3相應的高純度以及以重量%計的下列化學組成:C1.51至2.5；Si至0.8；Mn至1.5；Cr3.5至4.5；W13.3至15.3；Mo2.0至3.0；V4.5至6.9；Co10.05至12.0；S至0.52；N至0.2；O最多100ppm。具有值:錳減去硫(Mn－S)最少為0.19,其余為鐵和制備所引起的雜質和伴生元素,前提條件是,鎢與鉬的濃度比在5.2至6.5之間,鈷的含量最高為鎢+鉬的值的70%。
文檔編號C22C38/24GK1388263SQ02107320
公開日2003年1月1日 申請日期2002年3月13日 優(yōu)先權日2001年4月11日
發(fā)明者I·麥利, R·拉畢斯徹, W·列布法赫特 申請人:博哈里爾特種鋼有限公司