專利名稱：鈦或鈦合金接觸表面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及基本不含鎳的非不銹性低合金鋼用于制造至少接觸固態(tài)鈦或鈦合金的物件表面的用途，以及用所述鋼制造至少這種物件的表面的方法。
背景技術(shù)：
借助于用不同類型鋼制成的熱成形模具或工具制造鈦基合金或鈦合金零件是公知的。迄今為止，為了防止與鈦和鈦合金的實(shí)質(zhì)性表面擴(kuò)散反應(yīng)，至少模具或工具上接觸鈦和鈦合金的部分是用特選的鋼制造的。
在該情形中，使用的鋼是通過粉末冶金法制成的碳鋼(MdP)、用于可復(fù)原模具部件的奧氏體不銹鋼(MdP)、馬氏體時(shí)效鋼和用于等溫、可能超塑性成形的高鎳熱強(qiáng)鋼。
但是，這些鋼不能充分限制與鈦和鈦合金的表面擴(kuò)散。
還使用了其他類型的鋼制造接觸鈦合金的模具。這些主要含鉻和鉬但是不含鎳的高合金鋼不與鈦反應(yīng)。但是，這些合金屬于不銹鋼類，與本發(fā)明生產(chǎn)的合金不同。
在以上兩種情況中，尤其存在鐵的擴(kuò)散，并且可能形成金屬間區(qū)，這使表面性質(zhì)受損。還觀察到顯微結(jié)構(gòu)的表面變化。
為了修正這一點(diǎn)，必須采取其他昂貴的操作，例如零件表面的防擴(kuò)散涂層、化學(xué)溶解。
發(fā)明目的本發(fā)明的主要目的是解決如下新的技術(shù)問題為接觸鈦和鈦合金的表面選擇鋼，所選的鋼能夠防止鋼成分和鐵的表面擴(kuò)散引起的，特別是與鈦和鈦合金的任何實(shí)質(zhì)性(可測量的)反應(yīng)。
本發(fā)明的另一目的是通過一種簡單、經(jīng)濟(jì)的方案解決該技術(shù)問題，該方案可以在工業(yè)規(guī)模上用于形成固態(tài)鈦或鈦合金。
發(fā)明概述和詳述通過本發(fā)明，上述這些新的技術(shù)問題第一次用一種簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠、可重復(fù)的方法得到解決，這種方法可以在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用。
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及基本不含鎳的非不銹性低合金鋼用于制造至少接觸鈦或鈦合金的物件表面的用途，該物件用于所述鈦或鈦合金的固態(tài)成形，例如用于鈦或鈦合金粉末的致密化和/或成形，或者用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸬某尚巍?br> 根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案，所述鋼用于制造至少模具的接觸面，該模具用于鈦或鈦合金的固態(tài)熱成形。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案，所述鋼用于制造用于鈦或鈦合金粉末致密化和/或成形的工具。
根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方案，所述鋼用于制造用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸸虘B(tài)成形的工具。
有利地，成形不限于形成“最終”部件，例如還可包括形成坯料，然后可以進(jìn)行另一操作，例如鍛造、模沖壓或軋制。
有利地，使用一種低合金鋼，其含有低于10wt％的合金元素，特別是，所述鋼含有以下重量百分比的成分-鎳低于或等于2.5％，優(yōu)選低于或等于0.5％，-鉻0.5％至4％，優(yōu)選0.8％至2％，-碳低于或等于1，優(yōu)選低于或等于0.4％；-其余成分鐵和不可避免的雜質(zhì)。
根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施方案，該用途的特征在于所述鋼含有0.1-4wt％的鉬，優(yōu)選0.1-2wt％的鉬，更佳為0.15-1wt％的鉬。
根據(jù)另一個(gè)有利的實(shí)施方案，本發(fā)明用途的特征在于所述鋼含有0.05-4wt％的釩，優(yōu)選0.05-2wt％的釩，更佳為0.1-1wt％的釩。
根據(jù)本發(fā)明另一有利實(shí)施方案，前述任一項(xiàng)的用途的特征在于所述鋼是18CD4級鋼。
根據(jù)本發(fā)明另一有利實(shí)施方案，根據(jù)前述任一項(xiàng)的用途的特征在于所述鋼是15CDV6級鋼。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明還包括制造至少接觸鈦或鈦合金的物件表面的方法，該物件用于所述鈦或鈦合金的固態(tài)成形，例如，用于鈦或鈦合金粉末的致密化和/或成形，或者用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸬某尚?，該方法的特征在于包括用基本不含鎳的非不銹性低合金鋼制造所述表面，所述鋼如前面和下面的描述(包括作為本發(fā)明組成部分的實(shí)施例，除非另外說明)所定義。這樣，特別能夠防止所述鋼成分特別是鐵的表面擴(kuò)散引起的，與固態(tài)鈦和鈦合金的任何實(shí)質(zhì)性(可測量的)反應(yīng)。應(yīng)用本發(fā)明的鋼，能夠顯著防止本發(fā)明鋼的組成元素在鈦或鈦合金中的粘附和擴(kuò)散。表面顯微結(jié)構(gòu)不變，這與現(xiàn)有技術(shù)的鋼所觀察到的不同。有利地，應(yīng)用本發(fā)明的鋼，能夠?qū)崿F(xiàn)固態(tài)鈦或鈦基合金不受來自本發(fā)明物件之元素的可測量的污染。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案，制造方法包括制造至少模具的接觸面，該模具用于鈦和鈦合金的固態(tài)熱成形。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案，制造方法包括制造用于鈦或鈦合金粉末致密化和/或成形的工具。
根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方案，制造方法包括制造用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸸虘B(tài)成形的工具。
根據(jù)這兩方面的一個(gè)具體實(shí)施方案，本發(fā)明的方法的特征在于熱成形在至少等于500℃且低于1000℃，優(yōu)選低于約980℃的溫度下進(jìn)行。
根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，該方法的特征在于進(jìn)行TA6V級鈦部件的成型。
根據(jù)另一具體實(shí)施方案，本發(fā)明的方法的特征在于鈦基合金，特別是TA6V級合金的泵葉輪(pump impeller)是利用通過車削或研磨用所述低合金鋼制成的工具制造的。
根據(jù)第四方面，本發(fā)明還涵蓋包括接觸鈦或鈦合金的接觸面的物件，該物件用于鈦或鈦合金的固態(tài)成形，例如用于鈦或鈦合金粉末的致密化和/或成形，或者用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸬某尚?，其特征在于，至少該物件的所述接觸面是用基本不含鎳的非不銹性低合金鋼制成的，這種鋼如前面和下面的描述(包括作為本發(fā)明組成部分的實(shí)施例，除非另外說明)所定義，或者是通過如前面和下面的描述(包括作為本發(fā)明組成部分的實(shí)施例，除非另外說明)所定義的方法獲得的。
根據(jù)第五方面，本發(fā)明還包括用于鈦或鈦合金粉末致密化和/或成形的工具，其特征在于，至少該工具的接觸固態(tài)鈦或鈦合金的表面是用非不銹性低合金鋼制成的，這種鋼如前面和下面的描述(包括作為本發(fā)明組成部分的實(shí)施例，除非另外說明)所定義，或者是通過如前面和下面的描述(包括作為本發(fā)明組成部分的實(shí)施例，除非另外說明)所定義的方法獲得的。
根據(jù)第六方面，本發(fā)明還包括用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸸虘B(tài)成形的工具，其特征在于，至少該工具的接觸固態(tài)鈦或鈦合金的表面是用非不銹性低合金鋼制成的，這種鋼如前面和下面的描述(包括作為本發(fā)明組成部分的實(shí)施例，除非另外說明)所定義，或者是通過如前面和下面的描述(包括作為本發(fā)明組成部分的實(shí)施例，除非另外說明)所定義的方法獲得的。
根據(jù)第七方面，本發(fā)明還包括用于鈦或鈦合金固態(tài)熱成形的模具，例如用于鈦或鈦合金粉末致密化和/或成形，或者用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸪尚?，其特征在于，至少該模具的接觸固態(tài)鈦或鈦合金的表面是用非不銹性低合金鋼制成的，這種鋼如前面和下面的描述(包括作為本發(fā)明組成部分的實(shí)施例，除非另外說明)所定義，或者是通過如前面和下面的描述(包括作為本發(fā)明組成部分的實(shí)施例，除非另外說明)所定義的方法獲得的。
有利地，本發(fā)明涉及用于熱處理的支持工具。
根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，所述鋼的鉻含量為0.5-4wt％，鎳含量低于2.5wt％，碳含量低于1wt％。
本發(fā)明所用的鋼可以通過鍛造、軋制，然后通過機(jī)械加工或磨削制成，或者是鑄鋼。
優(yōu)選地，這種鋼經(jīng)受退火條件，以改善尺寸可重復(fù)性。
根據(jù)所述用途的描述，參考本發(fā)明提供的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的，這些實(shí)施例只是對本發(fā)明的說明，而不是限制本發(fā)明的范圍。在這些實(shí)施例中，除非另外說明，百分比是重量百分比，溫度是攝氏度或室溫，壓力是大氣壓，氣氛是空氣。
實(shí)施例實(shí)施例1-7本發(fā)明的測試鋼和比較鋼本發(fā)明的(EX 1、EX 2A和EX 2B)和現(xiàn)有技術(shù)的(EX 3A、EX3B、EX 4和EX 5)下述可以購到的低碳鋼和低合金鋼，分別(特別是15CDV6級可從THYSSEN FRANCE SA MANUFACTURERS獲得，18CD4級來自ASCOMETAL，100HLES級來自TECPHYFIRMINY)進(jìn)行實(shí)施例8的檢測，它們含有表1所示的下列化學(xué)分析成分，單位為重量百分比，其余成分是鐵和不可避免的雜質(zhì)。
表I鋼的元素分析(wt％)

N.A.＝極少量存在的雜質(zhì)，沒有其定量數(shù)據(jù)。
實(shí)施例8對表I所列的實(shí)施例1-7的鋼樣品的檢測A樣品檢測A.1機(jī)器磨制的樣品由直徑大約50mm、高度大約70mm的圓柱形容器制備樣品。
該容器中填充標(biāo)準(zhǔn)TA6V粉末，并向粉末內(nèi)放置用XES、XC18(批號23729)、18CD4(批號A4791)、15CDV6(批號78384)和100HLES(批號R2417)級低碳鋼制造并通過研磨獲得的20×10×10mm平行六面體插件。
表I中和表II中分別給出了鋼插件和標(biāo)準(zhǔn)TA6V鈦合金粉末的材料特征。
在902℃和100Mpa下熱等靜壓壓縮4小時(shí)致密化該容器。在硝酸中溶解除去鋼。致密化后，進(jìn)行下列研究■顯微照相截面使用掃描顯微鏡，用EDAX探頭在TA6V-鋼界面處進(jìn)行顯微照相檢查和擴(kuò)散分布的測定。
■在硝酸中溶解鋼插件后利用掃描顯微鏡進(jìn)行TA6V中擴(kuò)散分布的測定，表面幾何形狀的檢查和粗糙度的測定。
表IITA6V粉末的特征元素分析(wt％)

制造■用旋轉(zhuǎn)電極噴灑■過篩315μm檢查結(jié)果如下1.XES插件(現(xiàn)有技術(shù)A4)■約5μm的連續(xù)金屬間層。鐵在TA6V中擴(kuò)散超過約0.3mm■粗糙度Ra＝15μm
■鋼中的粉末顆粒具有大的壓痕■顯微結(jié)構(gòu)表面變化2.XC18襯件(現(xiàn)有技術(shù)A3A和A3B)■約5μm的連續(xù)金屬間層。鐵在TA6V中擴(kuò)散超過約0.3mm■粗糙度Ra＝9-12μm■鋼中的粉末顆粒具有顯著的壓痕3.18CD4插件(本發(fā)明的I1)■無任何金屬間層。沒有從鋼向TA6V的元素?cái)U(kuò)散■粗糙度Ra＝5μm■鋼中的粉末很少有壓痕，三接點(diǎn)處形成菱形尖。
■顯微結(jié)構(gòu)表面無變化4.15CDV6插件(本發(fā)明的I2A和I2B)■無任何金屬間層。沒有從鋼向TA6V的元素?cái)U(kuò)散■粗糙度Ra＝3-4μm■鋼中的粉末很少有壓痕，三接點(diǎn)處未形成任何菱形尖。
■顯微結(jié)構(gòu)表面無變化5.100HLES插件(現(xiàn)有技術(shù)A5)■根據(jù)位置不同，有0-20μμm的不規(guī)則金屬間層。鐵向TA6V內(nèi)擴(kuò)散達(dá)0.3mm。
■粗糙度Ra＝2-3μm■鋼中的粉末很少有壓痕。
A.2利用機(jī)具加工(車削或研磨)以外的技術(shù)制造的插件對下列組合研究了獲得鋼插件的方法的影響■標(biāo)準(zhǔn)TA6V-通過水噴射切割加工的18CD4(批號A4791)■標(biāo)準(zhǔn)TA6V-通過熔模鑄造獲得的25CD4■TA6V ELI-通過電火花加工(電火花線切割)獲得的15CDV6(批號1470)。
通過所謂的熱等靜壓(HIC)(920℃，100Mpa，4小時(shí))進(jìn)行致密化。
對鋼-TA6V界面進(jìn)行顯微照相檢查，以揭示兩種材料之間可能的擴(kuò)散。前兩種組合未檢測到擴(kuò)散。而電火花加工的組合TA6V ELI-15CDV6顯示多處擴(kuò)散。
B對部件的檢測B1.ISOPREC法使用ISOPREC法，能夠獲得成型的具有良好尺寸精度的部件，至少其表面的一部分是不經(jīng)任何機(jī)器精整操作產(chǎn)生的。該部件是通過在包括一個(gè)腔體的非不銹鋼模具中HIC(熱等靜壓)不銹預(yù)合金粉末進(jìn)行致密化而產(chǎn)生的，該腔體具有計(jì)算的尺寸，以獲得需要的最終幾何形狀。通過機(jī)械加工和硝酸溶解除去加工模具或工具。
泵葉輪是按照ISOPREC法由TA6V和通過車削和研磨制成的鋼制工具制造的。產(chǎn)生下列組合■標(biāo)準(zhǔn)TA6V-XC18批號69181■標(biāo)準(zhǔn)TA6V-18CD4批號A4791(本發(fā)明的I1)■TA6V ELI-18CD4批號A4791(本發(fā)明的I1)■TA6V ELI-15CDV6批號78384(本發(fā)明的I2A)■TA6V ELI-15CDV6批號1470(本發(fā)明的I2B)提醒一下，所用材料的特征在表I和表II中給出。
通過HIC(920℃，100Mpa，4小時(shí))致密化并通過硝酸溶解除去鋼制工具后，表征其表面的粗糙度和鐵污染(檢測極限為0.25％)。
用樣品獲得的結(jié)果得到廣泛證實(shí)。由于在容器填充過程中的粉末粒度偏析，可恰好注意到略高的粗糙度分散。
B2.利用熱處理的支持工具制造半球體該方法涉及支持直徑為550mm、厚度為5mm的標(biāo)準(zhǔn)TA6V半球體。該半球體在真空和大約870℃下放置1小時(shí)，使用由18CD4制成的具有相同凹陷幾何形狀的工具支持。
該處理后，獲得的結(jié)果顯示沒有鐵引起的表面污染和變形。
這清楚地證實(shí)了這種鋼可以用于制造熱處理用的支持工具，以阻制擴(kuò)散反應(yīng)，特別是鐵的擴(kuò)散反應(yīng)。
B3.通過粉末致密化制造坯料，然后進(jìn)行鍛造的方法通過粉末致密化制造坯料，然后對該坯料進(jìn)行鍛造。
對根據(jù)

圖1的圓柱形容器進(jìn)行熱等靜壓(HIC)致密化(例如920℃，100Mpa，4小時(shí))，制造這種坯料。
圓柱形容器(1)包括中心料柱(10)、外包套(20)和用于密封端部的部件(40，41)。
該圓柱形容器(1)具有凹槽(30)用于收集填充的材料，例如粉末(50)。外包套(20)的厚度為3mm。
作為示例性說明，經(jīng)HIC從這個(gè)圓柱形容器(1)制造了外徑為50mm、內(nèi)徑為30mm、長度為200mm的圓柱體。
中心料柱用18CD4制成，外包套用XC18制成。
該容器中填充標(biāo)準(zhǔn)TA6V粉末。將獲得的圓柱體刮削為直徑45mm，以便除去XC18包套和致密化時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)散區(qū)。
這樣獲得的坯料在大約900-920℃下鑄造，壓縮板層之間的直徑至35mm的高度。18CD4中心料柱通過硝酸溶解除去。
結(jié)果表明，截面顯示-材料規(guī)則變形；-在預(yù)先接觸18CD4料柱的TA6V圓柱體表面處完全沒有擴(kuò)散。
這樣，18CD4消除擴(kuò)散反應(yīng)的用途也證實(shí)可用于制造接觸TA6V的工具或模具。
本發(fā)明包括在技術(shù)上相當(dāng)于本說明書總體描述的這些方法的所有技術(shù)方案。另外，相對于所有現(xiàn)有技術(shù)看起來新穎的任何特征都是本發(fā)明的組成部分，同樣要求保護(hù)其共性或功能。
權(quán)利要求
1.基本不含鎳的非不銹性低合金鋼用于制造至少接觸鈦或鈦合金的物件表面的用途，該物件用于所述鈦或鈦合金的固態(tài)成形，例如用于鈦或鈦合金粉末的致密化和/或成形，或者用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸬某尚巍?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1的用途，其中所述鋼用于制造至少模具的接觸面，該模具用于鈦或鈦合金的固態(tài)熱成形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用途，其中所述鋼用于制造用于鈦或鈦合金粉末致密化和/或成形的工具。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的用途，其中所述鋼用于制造用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸸虘B(tài)成形的工具。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的用途，其中所述低合金鋼含有低于10wt％的合金元素，特別是，所述鋼含有以下重量百分比的成分-鎳低于或等于2.5％，優(yōu)選低于或等于0.5％，-鉻0.5％至4％，優(yōu)選0.8％至2％，-碳低于或等于1，優(yōu)選低于或等于0.4％；-其余成分鐵和不可避免的雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的用途，其中所述鋼含有0.1-4wt％的鉬，優(yōu)選0.15-2wt％，更佳為0.15-1wt％的鉬。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的用途，其中所述鋼含有0.05-4wt％的釩，優(yōu)選0.05-2wt％的釩，更佳為0.1-1wt％的釩。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的用途，其中所述鋼是18CD4級鋼。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的用途，其中所述鋼是15CDV6級鋼。
10.制造至少物件的表面的方法，該物件將接觸例如鈦或鈦合金，用于所述鈦或鈦合金的固態(tài)成形，或者用于鈦或鈦合金粉末致密化和/或成形，或者用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸬某尚?，其中該方法包括用根?jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的基本不含鎳的非不銹性低合金鋼制造所述表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的制造方法，其中該方法包括至少模具接觸面的制造，該模具用于鈦或鈦合金的固態(tài)熱成形。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的制造方法，其中該方法包括制造用于鈦或鈦合金粉末致密化和/或成形的工具。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的制造方法，其中該方法包括制造用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸸虘B(tài)成形的工具。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中熱鑄在至少等于500℃且低于1000℃，優(yōu)選低于約980℃的溫度下進(jìn)行。
15.根據(jù)權(quán)利要求10或11的方法，其中部件的成型用TA6V級鈦實(shí)現(xiàn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)的方法，其中鈦基合金，特別是TA6V級合金的泵葉輪是利用由所述低合金鋼通過車削或研磨制成的工具制造的。
17.根據(jù)權(quán)利要求10至16中任一項(xiàng)的方法，其中為了改善尺寸可重復(fù)性，對鋼進(jìn)行退火。
18.一種物件，其包括一個(gè)接觸面，該接觸面將接觸鈦或鈦合金，用于所述鈦或鈦合金的固態(tài)成形，例如用于鈦或鈦合金粉末致密化和/或成形，或者用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸬某尚?，其中至少該物件的所述接觸表面是用根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的基本不含鎳的非不銹性低合金鋼制成的，或者是通過根據(jù)權(quán)利要求10-17中任一項(xiàng)所述的方法獲得的。
19.用于鈦或鈦合金粉末致密化和/或成形的工具，其中至少該工具的接觸固態(tài)鈦或鈦合金的表面是用根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的非不銹性低合金鋼制成的，或者是通過根據(jù)權(quán)利要求10-17中任一項(xiàng)所述的方法獲得的。
20.用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸪尚蔚墓ぞ?，其中至少該工具的接觸固態(tài)鈦或鈦合金的表面是用根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的非不銹性低合金鋼制成的，或者是通過根據(jù)權(quán)利要求10-17中任一項(xiàng)所述的方法獲得的。
21.一種用于鈦或鈦合金固態(tài)熱成形的模具，其用于鈦或鈦合金粉末致密化和/或成形，或者用于實(shí)心鈦或?qū)嵭拟伜辖鸬某尚?，其中至少該模具的接觸固態(tài)鈦或鈦合金的表面是用根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的非不銹性低合金鋼制成的，或者是通過根據(jù)權(quán)利要求10-17中任一項(xiàng)所述的方法獲得的。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及基本不含鎳的非不銹性低合金鋼用于制造接觸鈦或鈦合金的物件的至少一個(gè)表面的用途，以及制造至少這種物件的表面的方法。具體地，本發(fā)明涉及所述合金的以下用途制造用于鈦基合金或鈦合金固態(tài)熱成形的模具的至少接觸表面，或者制造用于鈦或鈦合金固體合金或粉末致密化或成形的工具的至少接觸表面。本發(fā)明還能夠制造用來接觸鈦或鈦合金的物件。
文檔編號B22F3/00GK1829814SQ200480021674
公開日2006年9月6日 申請日期2004年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月1日
發(fā)明者熱拉爾·蓋松, 多米尼克·科萬, 迪迪?！ぜ臓?申請人:奧貝特迪瓦爾公司