專利名稱：具有高的耐回火性的鋼的制作方法
具有高的耐回火性的鋼本發(fā)明涉及被設(shè)計為用于熱金屬成形工具的鋼，典型是在其中待成形金屬耐受600°C以上溫度的情況下，甚至能夠使用所述鋼的較低溫度或者甚至室溫下的工藝。所討論中的鋼具有允許將其歸類為熱加工工具鋼的組成，其主要特性是增加的對高溫下的硬度損失的抵抗性(稱為耐回火性)，同時保持高韌性及適當?shù)膶嵝院痛阌残浴Ｍㄟ^仔細設(shè)計合金并設(shè)置元素P、Si、Mo和Cr的最佳范圍，可實現(xiàn)此類效果。術(shù)語熱加工工具被應(yīng)用于許多熱成形操作，其用于工業(yè)中并且關(guān)注于生產(chǎn)機械應(yīng)用的零件，尤其是汽車零件。最普遍的熱成形工藝是非鐵合金的鍛造、擠壓或鑄造。在典型高于500/600°C的高溫下執(zhí)行的其它應(yīng)用也可以被分類為熱加工。在這些應(yīng)用中，以通用術(shù)語熱加工工具來對模具、壓模、沖頭、嵌體及其它成形裝置進行分類。這些工具通常由鋼制成，所述鋼要求特殊性質(zhì)以耐受其中采用該工具的工藝的高溫和機械特性。在熱加工鋼的其關(guān)鍵性質(zhì)之中，以下是引人關(guān)注的耐熱性，更具體為耐回火性，韌性，淬硬性和諸如導熱性、比熱(這兩者都與熱擴散率相關(guān))以及熱膨脹系數(shù)的物理性質(zhì)。 對于鍛造應(yīng)用而言，鋼的熱鍛造是引人關(guān)注的，尤其是用于汽車零件的機械構(gòu)造的鋼。在此類操作中，鍛造的坯料耐受1100°c以上的溫度。在成形過程期間，其加熱工具的表面，如果接觸時段越長，則溫度越高。因此，所產(chǎn)生的熱量要求來自所使用的鋼的高耐熱性。用于熱壓模成形的鋼硬化機制主要是由細碳化物的析出引發(fā)的。值得注意的是Mo或W的碳化物，M2C型，或者V碳化物，MC型。對于高Cr鋼而言，富Cr的M7C3碳化物也是引人關(guān)注的，而且還具有處于固溶體中的Mo和V。盡管這些碳化物具有高穩(wěn)定性，但是它們趨于在高溫下的長時間段之后聚結(jié)，所述高溫典型高于550°C—在工具操作范圍內(nèi)容易達到的條件。結(jié)果，該區(qū)域的硬度下降，引起磨損和熱塑性變形，導致工具失效。因此，改善材料對耐回火性和硬度損失的抵抗性對于改善在高溫條件下操作的工具性能是關(guān)鍵的。此類應(yīng)用的實例是在用于如下的工具鋼零件或其它金屬合金的熱鍛、非鐵合金的擠壓和用于鑄造非鐵合金的壓模(后兩種應(yīng)用對于Al合金而言更加重要)。對于其它應(yīng)用而言也是如此，諸如非鐵合金的擠壓或鑄造。例如，在鍛鋼應(yīng)用中，要鍛造的預成型件的溫度為約1200°C。即使考慮與工具的短接觸時間(秒)，它們的表面也顯著地加熱，造成因這些表面的回火而致的硬度損失。考慮鋁合金或其它非鐵合金的擠壓，坯料溫度較低，在400至600°C范圍內(nèi)。然而，在這些應(yīng)用中，接觸時間顯著更長(幾十分鐘至幾小時的操作)。此外，由工具/鋁接觸產(chǎn)生的局部摩擦增強了加熱，增加了工具鋼的硬度損失并因此導致鋼磨損。在壓力鑄造壓模中，在高壓力和溫度(約700°C)下注入熔融金屬，并且還加熱壓模的表面。在這種情況下，失效主要是由于因壓模的工作表面的相繼加熱和冷卻而引起的熱疲勞開裂。但是，熔融鋁與壓模表面之間的高熱量交換有利于表面區(qū)域的加熱，如在其它應(yīng)用中那樣產(chǎn)生硬度損失并因此引發(fā)疲勞開裂過程。加熱后硬度損失的這種機制因此對于熱加工工具鋼而言至關(guān)重要；因此，非常希望增加材料強度以抵抗這種現(xiàn)象。關(guān)于所采用的鋼，通常通過使用形成二次碳化物的較高水平的那些元素(諸如Mo、W和V)或通過固溶體硬化來獲得改善的耐熱性。雖然在增加耐熱性方面是有效的，但這些元素水平的過度增加意味著降低的韌性、不良的熱擴散率和傳導率或顯著的制造成本增加。這后一項經(jīng)濟因素在當今實際上是重要的，因為用作合金元素Mo、W和V的來源的原材料具有高成本。為了提供本發(fā)明的更好理解，我們下面描述當前使用的某些現(xiàn)有技術(shù)鋼(在表I中概括了化學組成)。Hll和H13鋼是引人關(guān)注的，因為它們是主要用于熱加工的工具鋼。這些材料含有5%的Cr，提供適當?shù)拇阌残?，并且為了輔助耐熱性，含有O. 9%的V和I. 2%的Mo以改善耐熱性，并且通常含有低水平的P和S以促進適當?shù)捻g性。然而，為了改善耐回火性，將需要較高的Mo水平。DIN I. 2365和DIN I. 2367是用于此類目的的鋼。它們具有高Mo水平以改善耐熱性。然而，如果在DIN I. 2367鋼的結(jié)構(gòu)內(nèi)增加該元素的含量，則韌性及熱傳導率和擴散率趨向于下降。在I. 2365鋼中，通過增加Mo含量并減少Cr含量來抵銷這種熱傳導率降低。然而，Cr含量越低，淬硬性越低，從而限制在大型工具中的應(yīng)用。需要著重強調(diào)的是應(yīng)注意熱傳導率和韌性性質(zhì)。在加工期間，熱傳導率的增加是重要的，使得工具鋼能夠使所形成的材料與工具芯之間的溫度差異快速地均勻化，因此減少應(yīng)力和熱開裂。并且，在發(fā)生開裂的情況下，材料的韌性也是關(guān)鍵的，因為其延遲了擴展并因此延遲了熱疲勞損壞。因此明顯可見，如鋼DIN I. 2367和DI N I. 2365所例示的，僅 增加Mo含量不足以全面改善熱加工鋼的性質(zhì)。表I :現(xiàn)有技術(shù)鋼的典型化學組成。示出總數(shù)Mo+V+Co，因為這些元素具有最高成本，并且與工具鋼的最終成本密切相關(guān)。按重量百分比的含量和Fe余量。示出總數(shù)Mo+ff+V+Co,因為這些元素最影響合金成本。
權(quán)利要求
1.具有高耐回火性的鋼，其特征在于基本上由下列構(gòu)成的合金化元素的組成，按質(zhì)量百分比計0. 20和O. 50之間的C、低于I. O的Si、低于O. 030的Ρ、3· O和4. O之間的Cr、I.5和4. O之間的Μο、0. I和2. O之間的V、低于I. 5的Co，其余由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的具有高耐回火性的鋼，其特征在于基本上由下列構(gòu)成的合金化元素的組成，按質(zhì)量百分比計0. 30和O. 50之間的C、低于O. 8的Si、低于O. 020的Ρ、3· O和4. O之間的Cr、2. O和3. O之間的Mo、0. I和I. O之間的V、低于1.0的Co，其余由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的具有高耐回火性的鋼，其特征在于基本上由下列構(gòu)成的合金化元素的組成，按質(zhì)量百分比計0. 30和O. 45之間的C、低于O. 5的Si、低于O. 015的Ρ、3· 2和3. 9之間的Cr、2. O和3. O之間的Mo、0. 3和I. O之間的V、低于1.0的Co，其余由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的具有高耐回火性的鋼，其特征在于基本上由下列構(gòu)成的合金化元素的組成，按質(zhì)量百分比計0. 30和O. 40之間的C、低于O. 4的Si、低于O. 010的Ρ、3· 5和3.9之間的Cr,2. 2和2. 8之間的Mo,O. 3和O. 8之間的V、低于O. 5的Co，其余由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的具有高耐回火性的鋼，其特征在于Mo:W替代比例對應(yīng)于IMo :2W。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的具有高耐回火性的鋼，其特征在于釩鈮/鈦替代比例對應(yīng)于lV:2Nb/lTi。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的具有高耐回火性的鋼，被應(yīng)用于模具、壓模和多用途工具，在室溫下或在至多1300°C的溫度下，用于固體或液體材料的成形。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的具有高耐回火性的鋼，其應(yīng)用于經(jīng)受300至1300°C溫度的金屬成形工具中，以及用于其它應(yīng)用例如鍛造、擠壓或鑄造鐵合金或非鐵合金。
9.具有高耐回火性的鋼，其由涉及坯錠鑄造和熱/冷成形的工藝產(chǎn)生或者甚至與鑄造結(jié)構(gòu)一起使用。
10.具有高耐回火性的鋼，其由通過涉及熔融金屬的霧化或分散的工藝產(chǎn)生，例如粉末冶金、粉末注射或噴霧成形工藝。
全文摘要
具有高耐回火性的鋼，該鋼基本上由下列合金化元素組成，按質(zhì)量百分比計0.20至0.50的C、低于1.0的Si、低于0.030的P、3.0至4.0的Cr、1.5至4.0的Mo、0.1至2.0的V、低于1.5的Co，其余基本上由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。該鋼可用涉及坯錠鑄造和熱或冷成形的工藝產(chǎn)生，或者甚至原始熔融結(jié)構(gòu)；或者用涉及液態(tài)金屬的霧化或分散的工藝產(chǎn)生，例如粉末冶金、粉末注射或噴霧模制。
文檔編號C22C38/18GK102884215SQ201080059661
公開日2013年1月16日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17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