專利名稱：：具有干燥組成的硬質合金的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及有待用于切削和機械加工工具的硬質合金，其主要特征在于使用釩和鈮作為合金元素。因此，它們?nèi)菰S使用較少含量的昂貴的鵠和鉬合金元素?；谄滹@微組織方面的精密合金設計容許本發(fā)明的合金除了相當大的合金成本降低以外，具有與切削工具中使用的傳統(tǒng)硬質合金等同的性能。
背景技術：
：本發(fā)明的合金預期用于的切削工具在大量的機械加工操作中使用。這些工具的主要實例為鉆頭，其當前占世界上這些材料消耗的絕對多數(shù)。其它重要的工具為研磨機、絲錐(tap)、平頭釘(tack)、鋸和刀頭。對于這些應用，要求所用的合金具有若千性能，其中這三種是最重要的耐磨損性、考慮到高的機械加工溫度的耐熱性、和為了避免工具切削區(qū)域的裂開或斷裂的韌性。金屬機械工業(yè)是這類工具的最大消費者。在主要使用鉆頭的鉆孔操作中，最大產(chǎn)量生產(chǎn)和新式設備當前除了硬質合金以外還使用大量用碳化物基材料制成的工具。該材料可以分類為金屬陶瓷化合物。在磨損方面它提供顯著的壽命增長，盡管它具有明顯更高的成本。另一方面，較低復雜性的操作主要使用硬質鐵基合金，作為例如鋁鉆孔或其它非鐵合金、木材切削、較低產(chǎn)量機械加工和同樣重要的家庭應用。另外，硬質金屬的較大脆性導致較高的振動所造成的斷裂敏感性，從而除了阻礙它們在一些特定類型的工具例如絲錐中的使用以外，還阻礙它們在舊設備中的使用。因此，硬質鐵基合金除了由于其同等重要的相對于硬質金屬工具的成本竟爭力以外，由于其機械和摩擦性能而極大地用于切削工具中。然而，世界上鋼和鐵基合金的高消耗已經(jīng)導致這些合金顯著的成本提高。例如，在鉆頭方面，其成本的大部分歸因于原料成本，即用于制造它們的合金。因此，合金成本提高降低這些材料在許多情形中的竟爭力，轉向使用硬質合金或者轉向低合金和低性能鋼。用于切削工具的硬質合金的典型實例為AISIM或AISIT系列組合物，其中AISIM2鋼最為重要。對于要求更大應變的那些工具，使用鈷合金。M42和M35鋼是這類的主要實例，主要使用前者。這些合金的基本化學組成示于表1，其中鎢、鉬、釩和鈷元素最為重要一它們主要決定合金的最終成本。這些元素的成本影響示于表2，按2006年6月的合金成本標準化。因此，明確需要新的硬質合金組合物，其可用于工業(yè)生產(chǎn)，能夠滿足較低含量昂貴合金元素的要求而且具有相同性能。M2鋼是最重要的材料，需要開發(fā)其替代合金。至于與鈷相關的組合物，M42將是主要的有待替代的元素。本發(fā)明的合金滿足所有這些需要。表1:現(xiàn)有技術合金。根據(jù)質量和鐵余量百分數(shù)，僅示出主要的合金元素。通過公式Mo+0.8V+0.6W+0.6Co計算出元素的成本影響之和，其中將2006年4月時每種元素與成本相關的比率標準化成1%鉬成本。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>*在該類中更力。重要
發(fā)明內(nèi)容用于切削工具的硬質鐵基合金的性能與其顯微組織中存在的碳化物緊密相關，無論它們是微米級的大的不溶解碳化物還是納米級的極細的碳化物。前者在材料的耐磨損性方面是重要的，而后者提供熱處理之后的硬度和耐熱性。詳細回顧了合金元素在上述碳化物形成中的行為而且改變了傳統(tǒng)觀念。為此，本發(fā)明使用鈮作為合金元素，從而降低總的鉬、鴒和釩含量。然而，本研究并非集中在合金元素的常規(guī)取代。在若千材料科學和化學領域的許多論文中，已經(jīng)致力于具有相似特征的合金元素的取代。與本發(fā)明有關的重要實例為周期表的4B和5B族元素，即鈦、釩、鋯、鈮和鉭。在許多情形中這些元素提供相似的效果，因為它們具有相似的原子結構。然而，在用于切削工具的硬質合金中，出現(xiàn)顯著差異。釩大量用于這些材料，它一被鈮取代，就失去釩重要的有益效果，特別是在二次硬化方面。因此，本發(fā)明的合金沒有大的釩含量，釩不是^皮鈮取代，而是同時添加。與釩不同，鈮幾乎不引起二次硬化，盡管它很容易構成一次碳化物。這些碳化物是具有高硬度的MC型碳化物，硬度遠高于硬質傳統(tǒng)合金中形成的其它一次型的硬度。因此，可以減少其它一次碳化物構成元素(主要是鵠和鉬)的含量，這是本發(fā)明的原理，其目的在于替代M2合金。在替代M42方面，最有效的一次鈮碳化物也用于促進鈷含量的降低，鈷是另一種昂貴元素。除了提供最佳合金的定義以外，本發(fā)明還涉及該材料的工業(yè)生產(chǎn)。在較重的錠塊中，鈮傾向于形成尺寸比上述合金中通常存在的碳化物顯著更大的一次碳化物；它們的碳化物在英國文獻中被稱為塊狀碳化物(blockcarbides)。這些碳化物危害鈮的有益效果，因為它們?nèi)绻稚⒌脑挄龠M更高的耐磨損性。另外，一次粗大碳化物還降低這些合金的其它性能，例如可研磨性和韌性。因此，本發(fā)明的另一目的為在凝固期間鈮碳化物的成核機制方面起作用，從而促進其在最終產(chǎn)物中的細化。為滿足上述條件，本發(fā)明的合金具有按質量百分數(shù)由以下構成的合金元素0.5-2.0C，優(yōu)選0.8-1.5C，典型1.0C。1.O-IO.0Cr，優(yōu)選3.0-7.0Cr,典型4.0Cr。7.0-14.0We,(等效鵠)，其中由Weq=W+2.Mo比率得到Weq，優(yōu)選8.5-11.5Weq，典型10.0Weq。0.5-3.5Nb,優(yōu)選1.0-2.5Nb，典型1.7Nb，其中Nb可以按照1.0%Nb對應0.5%V的比率被V部分取代，或者Nb可以按照1.0%Nb對應0.5%Ti或1.0%Zr或Ta的比率被Zr、Ti和Ta部分或全部取代。0.5-3.5V，優(yōu)選1.0-2.5V,典型1.8V，其中V可以按照1.0%Nb對應0.5%V的比率被Nb部分或全部取代。在V被Nb取代的情況下，必須根據(jù)該比率計算出合金的最終Nb含量，然后加到現(xiàn)有的合金規(guī)定含量。如下所述，可以將鋁和硅同時添加到本發(fā)明的合金中，提供碳化物細化方面的益處。然而，由于合金制造更容易和提供更高的硬度，在本發(fā)明的合金中也可以產(chǎn)生不含鋁的組合物。因此，必須按質量百分數(shù)如下定量加入鋁和珪含量-對于以Al和Si作為殘余元素的組合物而言，最大1.0Al和最大1.0Si，優(yōu)選最大0.5Al和Si，典型最大0.2Al和Si。在這樣的情況下，Al和Si必須作為雜質處理。-對于需要Al和Si用于顯微組織細化的組合物而言，O.2-3.5Al或Si，優(yōu)選0.5-2.0Al或Si，典型1.0Al或Si。如下所述，還可以將鈷添加到上述組合物中，除了使它成為鈷相關材料例如M42的替代以外，還提供性能方面的額外益處。因此，鈷含量對于本發(fā)明的合金是任選的，取決于它的預期用途。-在添加的情況下，必須如下定量加入1.0-10.0Co，優(yōu)選3.0-7.0Co，典型5.0Co。-在較便宜的合金、即意圖替代通常的傳統(tǒng)合金例如M2的那些合金中，鈷含量必須最大是8.0，優(yōu)選最大5.0Co,典型最大0.50Co。對于在錠塊的工業(yè)生產(chǎn)中重要的鈮碳化物細化，本發(fā)明的合金可以具有如下控制條件，它們對于所有應用不一定是強制的，因此對于該合金不是強制的-最大0.030N，優(yōu)選最大0.015N,典型最大0.010N。-0.005-0.20Ce,優(yōu)選0.01-0.10Ce，典型0.050Ce，其它元素為稀土元素；稀土元素為周期表的鑭系或錒系元素，以及La、Ac、Hf和Rf元素。余量為鐵以及金屬或非金屬雜質，它們是煉鋼過程中不可避免的，其中所述非金屬雜質按質量百分數(shù)不限制地包括如下元素最大2.0Mn,優(yōu)選最大1.0Mn，典型最大0.5Mn。最大2.0Ni，優(yōu)選最大l.ONi，典型最大O.5Ni。最大2.0Cu，優(yōu)選最大1.0Cu，典型最大0.5Cu。最大O.10P，優(yōu)選最大O.05P，典型最大O.03P。最大O.20S，優(yōu)選最大0.050S，典型最大0.008S。在下面示出該新材料組成規(guī)格的理由，描述每種合金元素的作用。按質量百分數(shù)定義百分數(shù)。C:碳是熱處理響應、馬氏體硬度、一次碳化物形成和回火時析出的二次碳化物形成的主要原因。其含量必須低于2.0%，優(yōu)選最大1.5%,以便在淬火后殘余奧氏體的存在不會過高，另外避免形成過度粗大的一次碳化物。然而，碳含量必須足夠形成一次碳化物(主要是每當與鈮結合時)，以及在回火時形成二次碳化物，而且在淬火后提供馬氏體硬化。因此，碳含量必須不低于0.5%，優(yōu)選高于0.8%的碳。Cr:鉻對于切削工具中所用的硬質合金非常重要，其促進淬火能力，即容許馬氏體形成而不需要過于突然的冷卻。另外，為大型工件提供均勻的硬度。為了這些效果，在本發(fā)明的合金中，必須以大于1%含量提供鉻，典型高于3%。然而，過高的鉻含量導致M7C3型的粗大碳化物的形成，從而導致可研磨性和韌性降低。因此，必須使合金具有低于10%、典型低于7.0%的鉻含量。W和Mo:鎢和鉬在硬質傳統(tǒng)合金中具有非常相似的行為，在許多情況下是可互換的。在,上述合金中，鎢和鉬具有兩種作用1-產(chǎn)生M工或M2C型的共晶碳化物，它們?nèi)炕虿糠洲D化成MX碳化物，而且在淬火時幾乎不溶解。這樣的碳化物也稱為一次碳化物，它們對耐磨損性而言是重要的。2-大量的鎢和鉬形成二次碳化物，所述二次碳化物在奧氏體化期間溶解，而且在淬火后的回火期間它們以很細的二次碳化物再析出。鴒和鉬的這兩種作用都重要而且?guī)缀跸南嗤康倪@些元素。例如具有6%鉬和5%鴒的M2合金中，它們的大約一半在奧氏體化和淬火之后處在固溶體中，剩余的一半保持為不溶解的碳化物。在本發(fā)明的合金中，以主要意圖用于二次硬化而較少用于形成一次碳化物的含量添加鉬和鴒；如下所述，鈮起到這種作用。因此，節(jié)省鵠和鉬的量，其在傳統(tǒng)合金中意圖用于形成一次碳化物，從而導致相當大的合金成本降低。V:釩對于一次碳化物的形成以及回火時的二次析出而言與鉬和鴿一樣重要。相對于M2合金，保持該元素含量幾乎不變。這是釩二次析出的作用在這些材料中極其重要的理由，因為該元素的碳化物非常耐聚結，因此它們對于材料對切削加工中形成的高溫的耐受性至關重要。釩一次碳化物并不大量存在于M2鋼中。然而，這些碳化物是MC型碳化物，其硬度遠高于MeC碳化物(富含鉬和鴒)，提供更高的耐磨損性。因此，考慮到MC碳化物對于材料耐磨損性的重要性，在本發(fā)明的合金中不減少奧氏體化期間不溶解的過量釩。另外，奧氏體化期間釩在奧氏體晶粒生長控制方面具有顯著影響。為了所有這些效果，釩含量必須不低于0.5%，優(yōu)選高于1.2%。為了不形成過度粗大的碳化物，以及另外為了不過度增加合金成本，必須控制最大釩含量，它應當?shù)陀?.5%,優(yōu)選低于2.5%。因此，在本發(fā)明的合金中，如下所述，釩含量沒有被鈮取代。合金概念遠超過這一點，在一次和二次碳化物形成方面是完全不同的設置。Nb:鈮的作用對于本發(fā)明的合金至關重要，其形成MC型碳化物，它們可以是共晶或一次碳化物。這些碳化物示出大約2400HV的高硬度，高于硬度大約1500HV的M6C型富含鉬和鎢的一次碳化物。M工碳化物是傳統(tǒng)合金例如M2鋼的主要碳化物。在本發(fā)明中，通過鉬和鎢含量降低，這些碳化物的體積減小；然而，它們被引入鈮的情況下形成的碳化物所彌補。除了鈮碳化物更高的硬度以外，考慮到它們在鉬和鎢的碳化物的共晶反應之前以一次或共晶方式的凝固，鈮碳化物具有較低的齒條(spline)形態(tài)的濃度。在M2鋼中，例如，來源于M2C碳化物分解的M6C型碳化物在共晶反應中形成并且因此在齒間區(qū)非常富集。在金屬成形后，碳化物以齒條排列，其在該方向上容許裂縫和碎片。因此，添加鈮連同減少鵠和鉬提供了良好分布且高硬度的碳化物，從而是非常期望的。銀碳化物在高溫下形成，而且它們是第一個形成的，盡管它們與釩碳化物不同無法溶解大量的鉬和鴒。因此，這些元素的含量盡管低于M2合金，但是完全可用于二次硬化。在更多的合金化金屬例如M42合金中，鈮碳化物提供非常顯著的耐磨損性，從而容許也降低鈷含量。通過該改進，存在一定硬度降低，然而由于鈮碳化物的有益作用，工具仍然有高性能。在本發(fā)明的合金中引入鈮的最終結果可以概括成三點1-鈮產(chǎn)生輕微溶解其它合金元素、提供高硬度而且在熱成形之后均勻分布的碳化物；所有這些方面都提供高耐磨損性。2-因此，可以忽略一次的鴒和鉬的碳化物，從而容許這些元素總含量的減少，這些元素在用于切削工具的合金中是最貴的。3-對于鈷相關的材料，例如M42,可以減少該元素含量；這種改進導致熱處理之后較低的硬度，然而，由于存在鈮碳化物，耐磨損性和工具性能仍然是高的。為了所有這些效果，鈮含量必須最少是0.5%,優(yōu)選高于1.0%。然而，過高的鈮含量導致形成過于粗大的碳化物，從而危害材料的韌性和可研磨性。因此，鈮含量必須低于3.5%，優(yōu)選低于2.5%。N:在本發(fā)明合金的生產(chǎn)中可以在任選的基礎上控制氮。在許多情況下，這些材料的工業(yè)生產(chǎn)導致最終棒材中的粗大碳化物，這對于產(chǎn)品質量是不可接受的。在這樣的情況下，極其重要的是在一次鈮碳化物的凝固、特別是它們的成核中起作用。包括鈮在內(nèi)的4B或5B元素族在高溫下形成非常穩(wěn)定的亞硝酸鹽。這些亞硝酸鹽充當MC碳化物凝固的核，因此充當用于鈮碳化物的核。此外，MC碳化物形成發(fā)生地越早，可用于它們生長的時間會越長，這在一達到共晶溫度時就發(fā)生。因此，解決一次鈮碳化物變粗問題的可能性是減少合金的總氮含量，從而除去碳化物的成核劑。氮含量必須低至在借助于電爐煉鋼的生產(chǎn)中可行的程度，并且低于0.025%的氮含量是期望的，優(yōu)選低于0.015%，且最佳低于0.010%。Ce和稀土元素鈰和來自鑭系或僻系的其它稀土元素也可以在鈮碳化物的細化中起作用。在高溫下，這些元素形成含氧亞硝酸鹽(oxinitrite)，從而減少液態(tài)金屬中的游離氮。它們充當另一種減少氮含量以及從而減少一次鈮碳化物的成核亞硝酸鹽的方法。最終結果是一種更有力的細化碳化物的方式而且使它們的工業(yè)生產(chǎn)變得更容易。Si和Al:作為一種向鈮碳化物提供更高細化的方法，已經(jīng)試驗過在硅含量增加的同時添加鋁。雖然這導致一些細化，但是這些元素在熱處理之后提供的硬度降低。因此，只有在使用上述元素、即借助于鈰添加和減少氮來控制碳化物尺寸不可行的情況下才必須使用它們。在這樣的情況下，鋁和硅含量必須最少0.5%，優(yōu)選等于或高于1.0%。然而，由于高氧化和形成夾雜物的傾向，以及由于引起鐵素體的硬化，這些元素的最大含量必須低于3.5%，典型低于2%。殘余物其它元素，例如錳、鎳、銅和通常作為液態(tài)鋼形成過程的常見殘余物而獲得的那些元素必須被看作與煉鋼脫氧工藝有關的或者制造工藝固有的雜質。因此，考慮到由錳、鎳和銅導致的殘余奧氏體形成的增加，這些元素含量限于1.5%，優(yōu)選低于2.0%。磷和硫在晶粒輪廓和其它界面偏析，因此磷必須低于0.10%，優(yōu)選低于0.05%,硫低于O.20%，優(yōu)選最大0.050%。所述的合金可以借助于常規(guī)或特殊工藝例如粉末煉鋼(duststeelwork)、噴射成形或連鑄以軋制或鍛造產(chǎn)品形式制成諸如盤條(wirerod)、錠塊塊、棒材、線材、板材和帶材的產(chǎn)品。下面參照附圖描述進行的一些實驗，其中圖1示出現(xiàn)有技術ET1合金熔煉料(fusion)的原態(tài)顯微組織，示出釩、鵠和鉬元素的X-射線分布圖(mapping)。在所述分布圖中，點密度越大，化學元素的相對濃度越大。通過電子掃描顯微術(MEV)，二次電子獲得顯微組織；通過WDS獲得X-射線分布圖。圖2示出現(xiàn)有技術ET2合金熔煉料的原態(tài)顯微組織，示出釩、鎢和鉬元素的X-射線分布圖。在所述分布圖中，點密度越大，化學元素的相對濃度越大。通過電子掃描顯微術(MEV)，二次電子獲得顯微組織；通過WDS獲得X-射線分布圖。圖3示出本發(fā)明PI1合金熔煉料的原態(tài)顯微組織，示出釩、鎢、鉬和鈮元素的X-射線分布圖。在所述分布圖中，點密度越大，化學元素的相對濃度越大。通過電子掃描顯微術(MEV)，二次電子獲得顯微組織；通過WDS獲得X-射線分布圖。圖4示出本發(fā)明PI2合金熔煉料的原態(tài)顯微組織，示出釩、鎢、鉬和鈮元素的X-射線分布圖。在所述分布圖中，點密度越大，化學元素的相對濃度越大。通過電子掃描顯微術(MEV)，二次電子獲得顯微組織；通過WDS獲得X-射線分布圖。圖5示出本發(fā)明PI3合金熔煉料的原態(tài)顯微組織，示出釩、鎢、鉬和鈮元素的X-射線分布圖。在所述分布圖中，點密度越大，化學元素的相對濃度越大。通過電子掃描顯微術(MEV),二次電子獲得顯微組織；通過WDS獲得X-射線分布圖。圖6示出本發(fā)明PI4合金熔煉料的原態(tài)顯微組織，示出釩、鎢、鉬和鈮元素的X-射線分布圖。在所述分布圖中，點密度越大，化學元素的相對濃度越大。通過電子掃描顯微術(MEV)，二次電子獲得顯微組織；通過WDS獲得X-射線分布圖。圖7示出對于在每條曲線的右上角標明的兩種奧氏體化溫度，合金的回火曲線。該結果是對于具有8mm截面的試樣，所述試樣在所示溫度經(jīng)受奧氏體化，在一定溫度的油中進行淬火5分鐘并雙重回火2小時。所有處理在真空下進行。圖8示出ET1、ET2、PIl、PI2和PI3合金的鉆孔試驗結果。主要試驗響應為直到工具故障進行的鉆孔數(shù)，以柱狀圖示出這些數(shù)據(jù)，其偏差用誤差棒示出。試驗條件提高到41士1HRC的4340鉆孔，600rpm的轉速，切削速度13.56m/min和0.06mm/轉的推進量。圖9概括了PI1合金中添加鈰和減少氮含量在原態(tài)凝固組織中的影響。其它元素保持幾乎不變，如表7所示。原態(tài)凝固狀態(tài)下的試樣為500g錠塊和約40mm的圓形平均截面。截面二分之一半徑的代表性區(qū)域的光學顯微照片；沒有金相刻蝕，只是在金剛石和氧化鋁拋光之后。在圖10中，借助于光學顯微術比較現(xiàn)有技術ET1和ET2合金以及PIl、PI2、PI3和PI4合金的原態(tài)凝固顯微組織。試驗錠塊基礎區(qū)域為55kg。示出代表性的顯微照片，沒有金相刻蝕，只是在金剛石和氧化鋁拋光之后。圖11比較在用4°/。硝酸乙醇腐蝕液(nital)深刻蝕之后，在經(jīng)過淬火和回火的狀態(tài)下在硬度峰值的ET1、ET2、PIl、PI2、PI3和PI4合金各自的代表性顯微組織。大約提高500倍。具體實施例方式實施例1:為了限定本發(fā)明的合金組合物，制成幾種合金并且與本領域中包括的現(xiàn)有技術合金進行比較?；瘜W組成示于表2;本發(fā)明的合金在下文稱為Pl，現(xiàn)有技術合金稱為ET;ET1合金對應M2鋼，ET2合金對應M42。按鉬成本進行標準化，量化最昂貴的元素之和鴒、鉬、釩和鈷。表2示出本發(fā)明組合物中合金元素的顯著減少，這轉化為較低的成本，正如表3所示合金的相對成本所表明。至于合金成本，必須將PI1和PI2組合物與現(xiàn)有技術ET1合金比較，必須將PI3和PI4組合物與ET2合金比較，因為這些新組合物目的在于取代傳統(tǒng)合金。因此，本發(fā)明的PI1合金相對于ET1導致38%的合金成本降低，對于鈷組合物，注意到本發(fā)明的PI3合金提供47%的合金成本降低。因此，本發(fā)明的合金有效滿足切削工具合金中成本降低的當前需要。由于組成差異僅與鋁和硅含量有關，而它們在所述合金中具有可以忽略不計的成本，因此PI2和PI4合金分別相對于PI1和PI3合金沒有表現(xiàn)出成本差異。在真空感應爐中借助于相似的工藝制備6種合金(ET1、ET2、PI1、PI2、PI3和PI4)的錠塊熔煉料，通過鑄鐵錠塊機進行滲漏，制成約55kg的錠塊。在凝固后，將錠塊亞臨界退火，最初觀察6種組合物的原態(tài)熔煉料顯微組織，如圖1-6所示?？梢郧宄乜吹?，相對于PIl、PI2、PI3和PI4合金，在ET1和ET2合金的一次碳化物中，由X-射線分布圖中的點密度給出的釩、鉬和鴿元素的濃度顯著更高。另一方面，這些傾向于形成具有占優(yōu)勢的鈮元素的碳化物。這些碳化物為MC型碳化物而且具有高硬度；因此，它們能夠令人滿意地取代更高成本元素的碳化物，例如鴒和鉬。另外，鈮碳化物具有引起關注的特性它們在固溶體中沒有顯著量的其它元素，主要是指鉬、鎢和釩。因此，它們?nèi)菰S這些元素更自由以形成二次碳化物，這些二次碳化物在最后的熱回火處理后對于實現(xiàn)材料應用所需的高硬度是重要的。表2:兩種現(xiàn)有技術合金(ET1至ET4)和本發(fā)明合金(PI)的化學組成。通過式Mo+0.8V+0.6W+0.6Co計算Mo、W、V和Co對成本的貢獻之和，其中比率與每種元素在2006年4月的成本有關，通過鉬成本標準化。該和以絕對值(abs.)以及由ET1合金標準化的相對值(relat.)表示。<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>總之，圖l-6示出PIl、PI2和PI3合金的一次碳化物主要是富集鈮的，因為該元素有意形成MC型碳化物。這類碳化物比現(xiàn)有技術合金的一次碳化物消耗較少量的鵠、鉬和釩。因此，它們?nèi)菰S在合金中減少上述元素的總含量，這是本發(fā)明的目的。表3:金屬含量成本，即，ET1、ET2、PIl、PI2、PI3和PI4合金中所含的金屬-合金。由ET1或ET2合金的金屬含量成本對數(shù)值進行標準化。PI1和PI2兩者以及PI3和PI4兩者的成本相同，因為僅有的差別與Si和Al含量有關，它們在合金成本上的影響可忽略不計。該計算意圖用于電爐煉鋼生產(chǎn)，數(shù)據(jù)為2006年6月。<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>除了關于一次碳化物的作用的論述以外，熱處理之后的硬度對于意圖用于切削工具的合金是至關重要的。主要由二次析出提供的硬度是造成以下的原因保持碳化物固著于模具、防止它們被拔出，從而提供在許多應用中所需的機械抗力以及減少材料中磨料的滲透。所有這些效果使得高硬度對于材料的耐磨損性重要。因此，在軋制8mm圓棒的試驗錠塊后觀察熱處理響應。所有組合物的試樣經(jīng)受油淬處理，在1180-1200。C之間奧氏體化5分鐘，它們中的一些還在450-600。C之間雙重回火2小時。表4示出對于1180和1200。C的奧氏體化溫度，ET1、ET2、PIl、PI2、PI3和PI4合金在淬火和回火之后的硬度；以曲線形式將這些結果示于圖7。這些數(shù)據(jù)示出三個重要方面。首先，ET1和PI1合金在硬度方面具有相似的形為，這表明實際上PI1組合物的鉬、鵠和釩含量的減少沒有損害回火后的硬度，因為保持了二次硬化所必需的這些元素的含量。在這樣的情況下，本發(fā)明的PI1合金實現(xiàn)其重要結果之一通過保持相同硬度提供合金元素的減少。另外，PI1合金主要具有一次MC型碳化物，其具有更高的硬度并且因此提供高耐磨損性。由熱處理后的數(shù)據(jù)獲得的第二個重要結論是PI3合金相對它意圖取代的ET2合金的較低硬度。如表2所示，與ET2合金相比PI3合金主要是鉬和鈷含量顯著降低，而且由這些元素產(chǎn)生的含量不足以導致相同的熱處理后的硬度，因此存在上述事實。在該意義上，ET2合金的更大鉬含量對提供碳化物的微細析出是重要的，而鈷在碳化物的析出和聚結動力學方面具有重要作用。盡管具有較低的硬度，但是更硬的鈮碳化物仍然可以導致合適的性能，如實施例2所示。關于硬度結果的第三個重要結論涉及鋁和硅的作用。PI2和PI4合金分別與PI1和PI3合金相當，雖然它們具有高得多的鋁和硅含量(約1.0-1.5%)。圖7曲線和表4數(shù)據(jù)表明在使具有高硅和鋁含量的合金回火之后硬度降低，在這種情況下高含量是不期望的。然而，如圖3-6對比示出以及如實施例3和圖10所述，高的鋁和硅含量提供碳化物的細化。因此，對于其中碳化物細化是重要問題的那樣應用，本發(fā)明的合金可以添加高的硅和鋁含量。表4:現(xiàn)有技術合金(ET1和ET2)及本發(fā)明的合金的熱處理響應。在1180和1200。C奧氏體化、在油中淬火以及在所示溫度下兩次2小時回火后的HRC硬度結果。<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>所述合金的另一重要參數(shù)是奧氏體晶粒的尺寸。這總是與微修整(microchipping)用的韌性和耐磨性有關。在幾種奧氏體化條件后，在所述合金的情況下評價這些圖，結果示于表5。合金ETl及其替代合金PIl具有相似的晶粒尺寸，如同ET2及替代者PI3—樣。至于合金PI2和PI4,晶粒尺寸更細，可能歸因于這些合金更細化的碳化物，它們阻止奧氏體化期間晶粒的生長。因此，這是這些元素的另一有益效果。表5:對于在1160-1200。C之間奧氏體化的鋼，奧氏體晶粒的尺寸，通過Snyder-Graff截取法測定。標記士表示觀'j量的標準偏差。<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>實施例2:測試如實施例1所示開發(fā)和描述的合金用于工業(yè)應用。在8.O腿規(guī)格軋制并且通過熱配線(hotwiring)減到更小規(guī)格，從中試規(guī)模批料制成鉆孔型工具。然后在與工業(yè)鉆孔所用條件類似的條件下進行鉆孔試驗，將本發(fā)明合金的性能與現(xiàn)有技術合金進行比較。鉆孔試驗的結果示于表6，并在圖8中圖解示出?？紤]到實驗偏差，對于合金PIl和ET1以及合金PI3和ET2看到相同的結果。該結果證實了對于上述合金所描述的整個組成調整，也就是用鈮作為一次碳化物的形成物，用于此目的的鉬和鎢含量減少以及這些元素特別用于二次硬化。要強調的結果是合金PI3相對ET2的結果。盡管如表4和圖7所示具有低得多的硬度等級，但是合金PI3可示出相當類似的性能。如果考慮試驗離散性的話，這甚至與合金ET2的性能相同。表6:用來自幾種試驗合金的鉆頭進行的切削試驗結果。測試至少3件工具得到的數(shù)據(jù)。試驗條件600rpm，切削速度13.56ra/min和推進量0.06mm/轉以及鉆頭6.35隨直徑。"±"后的數(shù)字表示測量結果的標準偏差。<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>因此，上述結果表明開發(fā)的合金的有效性。如表3所示，本發(fā)明的合金在合金成本上降低38-47%,保持高的切削性能。從而，這些新的合金是工具工業(yè)的重要替代物。它們滿足合金成本增加的當前需求，從而提高由這些硬質合金制成的工具對于工具應用的竟爭力。實施例3:正如所述，本發(fā)明合金的合適性質以及實現(xiàn)的性能對于在顯著的成本降低下替代現(xiàn)有技術合金是重要的。這尤其通過使用而完成。然而，鈮在大型錠塊的情況下對工業(yè)應用會造成不便，特別是在過大的碳化物方面。鈮碳化物在初生形態(tài)下直接從液體形成，即它們以孤立方式或者以共晶方式生長。一次碳化物是首先形成的碳化物，因此它們更多地生長。由于其自發(fā)形態(tài)，與共晶碳化物更加針狀的形式不同，一次碳化物在熱成型(conforming)過程中沒有非常破碎。因此，一旦在凝固過程中形成粗大碳化物，它們將在最終產(chǎn)物中繼續(xù)變粗大。這樣的碳化物由于韌性和尤其是整流(rectifying)性能損失而在許多規(guī)格中是不可接受的。對于本發(fā)明，重要的是保持鈮碳化物分散和細微，因為它們在耐磨性方面是主要起作用者。已經(jīng)研究了新的組合物以細化鈮碳化物，如下表7所示。如圖9所示，基于以小型500g錠塊在浴中收集的試樣，原態(tài)凝固顯微組織獲得結果。化學組成基于合金PIl,然而改變氮和鈰含量。避免粗大一次碳化物問題的主要方法是引導鈮更趨向形成更易于破碎的共晶碳化物而較少形成一次碳化物。為此，必須通過這些碳化物成核時的行為防止或阻礙高溫下一次碳化物的形成。一旦它們在較低溫度下成核(或者沒有成核)，這些碳化物將較少生長，其余的鈮將以共晶碳化物形式析出。在本發(fā)明中采取這種策略，以便使合金PIl至PI4的工業(yè)生產(chǎn)更容易。因此，利用了釩或鈮的氮化物的減少。它們比碳化物更穩(wěn)定，在更高溫度下形成，因此它們充當形成富鈮的碳化物的核。這些核的減少導致晚形成碳化物，從而導致其細化。首先，研究了減少氮對總體凝固組織的影響。如圖9所示，氮含量的減少使粗大一次碳化物的量有效減少。表7:基于本發(fā)明合金PIl的化學組成，但是改變氮和鈰含量。<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>盡管氮有這種重要作用，但是在電爐煉鋼中難以獲得極低的氮含量，即遠低于100ppm。因此，通過添加鈰將另一種方法用于細化碳化物。該元素在遠高于鈮碳化物析出溫度的溫度下形成氧氮化物。因此，它們充當減少形成釩或鈮的氮化物核的游離氮含量的另一種方法。因此，如圖9所示，在本發(fā)明的合金中減少氮含量連同以0.050%左右的含量添加鈰導致形成的鈮碳化物顯著細化。這可以用于其中細化條件對于凝固速度更為關鍵的情形，例如較大錠塊的情況。然而，本發(fā)明的合金也可以在通常的氮含量下并且不添加鈰而制成，因為對于煉鋼實踐，這兩種改進需要更細致和昂貴的工藝。實施例4:上面的實施例僅論述一次鈮碳化物的細化。在本實施例中，提供通過采用鋁和硅含量細化共晶鈮碳化物的可能性。如圖10所示，高硅和鋁合金具有薄且較長"臂"的鈮共晶體。這尤其出現(xiàn)在不含鈷的合金中，即合金PI1至合金PI2。這種效果的原因仍不完全清楚，但是它們可能與鋁和硅在一次碳化物中的溶解度的影響有關。由于它們在碳化物中具有低溶解度，這些元素在高含量時在凝固以前集中，這使得其生長困難而且引起所看到的細化。在8mm規(guī)格禮制后，在材料的顯微組織上比較鋁和硅的作用。如圖ll所示，在顯微組織基質底部，顯微組織有略微細化，尤其是在較細的全體碳化物方面。這一事實是引人關注的，因為它產(chǎn)生更細的奧氏體晶粒，如上面在表5中所述。因此，可以將高的鋁和硅含量應用于本發(fā)明的合金。然而，如實施例1所示，這些含量會損害其它性質，例如熱處理后的最終硬度。另外，高的鋁含量導致操作生產(chǎn)困難，因為它們提高液態(tài)金屬的反應性，產(chǎn)生更多鐵素體硬化以及提高退火所需的溫度。簡而言之，在本發(fā)明的合金中1.0-1.5°/。的高鋁和硅含量可以是引人關注的，趨向進一步細化碳化物而且如實施例1所示減小晶粒尺寸。然而，除了生產(chǎn)困難以外，考慮到所得的硬度，必須檢驗所迷材料預期的應用。權利要求1.具有干燥組成的硬質合金，其特征在于具有按質量百分數(shù)由以下構成的元素化學組成0.5-2.0碳；1.0-10.0鉻；7.0-14.0由比率2Mo+W給出的鎢等價物；0.5-3.5鈮，鈮可以按2％鈮對應每1％釩的比率由釩部分或全部取代；0.5-3.5釩，釩可以按2％鈮對應每1％釩的比率由鈮部分或全部取代；低于8的鈷，余量基本上為Fe和制備過程中不可避免的雜質。2.權利要求1的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于具有按質量百分數(shù)基本上由以下構成的元素化學組成0.8-1.5碳；3.0-7.0鉻；8.5-11.5由比率2Mo+W給出的鴒等價物；1.0-2.5鈮，鈮可以按2%鈮對應每1%釩的比率由釩部分或全部取代；1.0-2.5釩，釩可以按2%鈮對應每1%釩的比率由鈮部分或全部取代；低于5.0的鈷，余量基本上為Fe和制備過程中不可避免的雜質。3.權利要求1或2任一項的具有千燥組成的硬質合金，其特征在于具有按質量百分數(shù)基本上由以下構成的元素化學組成0.8-1.5碳；3.0-7.0鉻;8.5-11.5由比率2Mo+W給出的鵠等價物;1.5-2.3鈮，鈮可以按2%鈮對應每1%釩的比率由釩部分或全部取代；1.5-2.3釩，釩可以按2%鈮對應每1%釩的比率由鈮部分或全部取代；低于5.0的鈷，余量基本上為Fe和制備過程中不可避免的雜質。4.權利要求1-3任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于具有按質量百分數(shù)基本上由以下構成的元素化學組成0.95-1.20碳，3.0-5.0鉻，2.5-4.5鵠，2.5-4.5鉬，1.5-2.0鈮，1，5-2.3釩；寸氐于2.0的鈷，余量基本上為Fe和制備過程中不可避免的雜質。5.權利要求l-4任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于具有按質量百分數(shù)基本上由以下構成的元素化學組成1.0-1.2碳，3.0-5.0鉻，3.0-4.0鴒,2.8-4.0鉬，1.6-1.9鈮，1.5-2.0釩；低于1.0的鈷，余量基本上為Fe和制備過程中不可避免的雜質。6.權利要求l-5任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有i.o-io.0°/的鈷。7.權利要求l-6任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有3.0-7.0%的鈷。8.權利要求1-7任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有4.0-6.0%的鈷。9.權利要求l-8任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有0.005-0.20的鈰，鈰可以按1:1的比率由稱為稀土的其它元素部分或全部取代，周期表中的鑭系或錒系元素、以及La、Ac、Hf和Rf元素被看作稀土。10.權利要求l-9任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有0.005-0.20的鈰，鈰可以按1:1的比率由稱為稀土的其它元素部分或全部取代，周期表中的鑭系或錒系元素被看作稀土。11.權利要求l-10任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有0.010-0.10的鈰，鈰可以按1:1的比率由稱為稀土的其它元素部分或全部取代，周期表中的鑭系或錒系元素被看作稀土。12.權利要求1-11任一項的具有千燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有0.030-0.070的鈰，鈰可以按1:1的比率由稱為稀土的其它元素部分或全部取代，周期表中的鑭系或錒系元素被看作稀土。13.權利要求l-12任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有低于0.030的氮。14.權利要求l-13任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有低于0.015的氮。15.權利要求1-14任一項的具有千燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有低于0.010的氮。16.權利要求1-15任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于具有按質量百分數(shù)基本上由以下構成的元素化學組成0.8-1.5碳，(3.0-7.0鉻，8.5-11.5由比率2Mo+W給出的鎢等價物;1.5-2.3鈮，鈮可以按2%鈮對應每1%釩的比率由釩部分或全部取代；1.5-2.3釩，釩可以按2%鈮對應每1%釩的比率由鈮部分或全部取代；低于50的鈷，0.005-0.20的鈰，鈰可以按1:1的比率由稱為稀土的其它元素部分或全部取代，周期表中的鑭系或^[系元素被看作稀土，低于0.020的氮，余量基本上為Fe和制備過程中不可避免的雜質。17.權利要求1-16任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于具有按質量百分數(shù)基本上由以下構成的元素化學組成0.95-1.20碳，3.0-5.0鉻，2.5-4.5鴒，2.5-4.5鉬，1.5-2.0鈮，1.5-2.3釩，低于2.0的鈷，0.010-0.10的鈰，鈰可以按1:1的比率由稱為稀土的其它元素部分或全部取代，周期表中的鑭系或錒系元素被看作稀土，低于0.015的氮，余量基本上為Fe和制備過程中不可避免的雜質。18.權利要求l-17任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于具有按質量百分數(shù)基本上由以下構成的元素化學組成0.95-1.20碳，3.0-5.0鉻，2.5-4.5鴒，2.5-4.5鉬，1.5-2.0鈮，1.5-2.3釩，3.0-7.0鈷，0.010-0.10的鈰，鈰可以按1:1的比率由稱為稀土的其它元素部分或全部取代，周期表中的鑭系或鈳系元素被看作稀土，低于0.015的氮，余量基本上為Fe和制備過程中不可避免的雜質。19.權利要求1-18任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有至多0.5錳，至多0.2鋁，至多0.04磷，至多0.005石克和至多0.01氮。20.權利要求l-19任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有0.5-3.0%的鋁。21.權利要求l-20任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有0.8-1.7%的鋁。22.權利要求l-21任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有0.5-3.0°/的硅。23.權利要求l-22任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有0.8-1.2%的硅。24.權利要求l-23任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有0.5-2.5%的鋁和0.8-2.5%的硅。25.權利要求l-24任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有0.8-1.7%的鋁和0.8-1.2%的硅。26.權利要求1-25任一項的具有千燥組成的硬質合金，其特征在于按質量百分數(shù)具有部分或全部取代元素鈮或釩的元素鈦、鋯或鉭，取代比率為1份Ti對應1份釩或0.5份鈮；和1份Ta或Zr對應2份釩或1份鈮。27.權利要求l-26任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于用于切削和機械加工的工具。28.權利要求1-27任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于用于有待在手動機器或鋸子中使用的鋸，無論它們完全由高速鋼形成還是雙金屬型的，后者包括僅由高速鋼制成的切削部分。29.權利要求l-28任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于用于旋轉切削工具，例如螺旋鉆頭、研磨裝置、絲錐、模具以及用于機械加工金屬材料或其它材料的其它工具。30.權利要求1-29任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于用于具有低工作壽命預期的機械加工工具，例如低產(chǎn)量工業(yè)工具和家用工具。31.權利要求1-30任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于機械應用部件，例如汽車部件和一般的機械構件。32.權利要求1-31任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于通過常規(guī)鑄造、連續(xù)鑄造或者涉及合金破碎和聚結、尤其是粉末冶金、粉末注射和噴射成型的工藝制備，由熱成型、冷成型獲得最終產(chǎn)物，或者在原態(tài)鑄造狀態(tài)下直接使用產(chǎn)物。33.權利要求l-32任一項的具有干燥組成的硬質合金，其特征在于通過常規(guī)鑄造、連續(xù)鑄造工藝制備，由熱成型、冷成型獲得最終產(chǎn)物，或者在原態(tài)鑄造狀態(tài)下直接使用產(chǎn)物。全文摘要具有干燥組成的硬質合金，其具有按質量百分數(shù)由以下構成的合金元素組成0.5-2.0碳；1.0-10.0鉻；7.0-14.0由比率2Mo+W給出的鎢等價物；0.5-3.5鈮，鈮可以按2％鈮對應每1％釩的比率由釩部分或全部取代；0.5-3.5釩，釩可以按2％鈮對應每1％釩的比率由鈮部分或全部取代；低于8的鈷，余量基本上為Fe和制備過程中不可避免的雜質。作為細化碳化物的選項，本發(fā)明的鋼可以具有低于0.030的受控氮含量以及按0.005-0.020的含量添加鈰或其它稀土元素。為了相同目的，可以任選地添加硅和鋁，它們二者的含量為0.5-3.0％。文檔編號C22C38/12GK101528971SQ200780029982公開日2009年9月9日申請日期2007年7月18日優(yōu)先權日2006年8月28日發(fā)明者C·A·巴博薩,R·A·麥斯基塔申請人:維拉雷斯金屬股份公司