本發(fā)明涉及基于fe和/或ni的耐磨合金。所述合金與硼合金化以形成硬質(zhì)相顆粒。
背景技術(shù)：
：氮和釩合金粉末冶金(pm)工具鋼由于其高硬度、高耐磨性和優(yōu)異的耐磨損性(gallingresistance)的獨(dú)特組合而獲得了相當(dāng)多的關(guān)注。這些鋼具有廣泛的應(yīng)用，其中主要的失效機(jī)制是粘著磨耗或磨損。典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括沖裁和成形、精沖裁、冷擠壓、深沖和粉末壓制。將基礎(chǔ)鋼組分霧化、進(jìn)行氮化然后將粉末填充入包套(capsule)中并進(jìn)行熱等靜壓制(hip)以制備各向同性鋼。在wo00/79015a1中描述了用這種方法生產(chǎn)的高性能鋼。盡管已知的鋼具有非常有吸引力的特性特征，但是為了進(jìn)一步改進(jìn)所生產(chǎn)的產(chǎn)品的表面質(zhì)量以及延長工具壽命(特別是在同時需要良好的耐磨損性和耐磨蝕的苛刻的工作條件下)，不斷努力改進(jìn)工具材料。在許多應(yīng)用中，希望材料也應(yīng)當(dāng)為耐腐蝕的。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供粉末冶金(pm)生產(chǎn)的合金，其具有改進(jìn)的用于先進(jìn)成形應(yīng)用的特性特征。本發(fā)明的另一個目的是提供粉末冶金(pm)生產(chǎn)的具有一定組成和顯微組織的合金，其使得通過在工具和模具中使用該合金所生產(chǎn)的產(chǎn)品的表面質(zhì)量改進(jìn)。通過提供具有如權(quán)利要求中所述的組成和顯微組織的合金，使上述目的以及另外的優(yōu)點(diǎn)達(dá)到顯著程度。本發(fā)明限定于權(quán)利要求中。具體實(shí)施方式本發(fā)明涉及包含硬質(zhì)相的合金，所述硬質(zhì)相主要由基于fe和/或ni的基體中含有fe和/或ni的多元硼化物組成。優(yōu)選地，基體是可硬化的。二元硼化物為m2m’b2型，其中m和m’代表多元硼化物的金屬。所述硼化物形成元素通常選自：cr、mo、w、ti、v、nb、ta、hf和co。在目前的情況下，m為mo且m’為fe和/或ni。然而，硼化物可含有大量的一種或更多種其他硼化物形成元素。然而，盡管硼化物還可含有ni和一種或更多種上述硼化物形成元素，但是以下對于基于fe的合金，二元硼化物是指mo2feb2。類似地，在基于ni的合金中，二元硼化物是指mo2nib2。硬質(zhì)相顆粒的尺寸可通過顯微圖像分析來確定。這樣獲得的尺寸是對應(yīng)于具有與該顆粒相同的投影面積的圓之直徑的直徑，即等效圓直徑(equivalentcirclediameter，ecd)。以下將簡要說明單獨(dú)的元素及其彼此相互作用的重要性以及所要求保護(hù)的合金的化學(xué)成分的限制。在整個說明書中，鋼的化學(xué)組成的所有百分比以重量％(wt.％)給出。各個元素的上限和下限可在權(quán)利要求1給出的界限內(nèi)自由組合。碳(0％至2.5％)碳不需要存在于基于ni的合金中。但是，在很多基于fe的合金中需要存在碳。在不同類型的不銹鋼中使用低碳含量，如≤0.15％、≤0.05％、≤0.03或甚至≤0.01％。因此，下限可設(shè)為0.005％、0.01％、0.02％或0.03％。可以以0.02％至0.9％、0.05％至0.5％、0.05％至0.2％或0.05％至0.25％的量包含碳，特別是為了在氧化鋁成形奧氏體(afa)不銹鋼中形成細(xì)析出的nbc。另一方面，很多工具鋼中的碳的最小值可設(shè)為0.1％或0.2％、0.3％或0.35％。碳的上限為2.5％。碳對于碳化物的形成以及在工具鋼中的硬化是重要的。優(yōu)選地，調(diào)節(jié)碳含量以在奧氏體化溫度下獲得溶解在基體中的0.4％至0.6％的c，使得淬火之后產(chǎn)生高強(qiáng)度的基體。奧氏體化溫度優(yōu)選為1080℃至1120℃。在任何情況下，應(yīng)控制碳的量，使得鋼中m23c6、m7c3、m6c、m2c和mc型的碳化物的量受到限制。因此上限可設(shè)為2.1％、1.5％、1.3％、1.0％、0.8％、0.6％、0.5％或0.45％。鉻(0％至25％)鉻通常存在于基于ni和基于fe的合金中。下限為0％。然而，在基于fe的合金中，為了提供足夠的淬透性)，在許多應(yīng)用中鉻以至少0.5％、1％、1.5％、2％、3％或3.5％的含量存在。為了在熱處理期間在大截面中提供好的淬透性，優(yōu)選cr較高。如果鉻含量過高，這可能導(dǎo)致形成不期望的碳化物，例如m7c3。此外，這也可能增加在顯微組織中殘留奧氏體的傾向。為了實(shí)現(xiàn)好的淬透性，期望在基體中溶解至少2％的cr，優(yōu)選2.5％、3％、3.5％或4％。對于不銹鋼應(yīng)用，優(yōu)選合金在基體中含有至少11％、12％或13％的cr。下限可設(shè)為3.1％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％、4.0％或4.2％。上限可設(shè)為7.0％、6.5％、6.0％、5.4％或4.6％。另一方面，大于10％，優(yōu)選大于12％的鉻含量用于不銹鋼應(yīng)用。對于不銹鋼合金，上限為25％，并且可設(shè)為20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％或13％。鉬(4％至35％)mo是形成硬質(zhì)硼化物的主要元素。在本發(fā)明中，為了獲得3體積％至35體積％的期望的硼化物mo2feb2析出，使用了大量的鉬。鉬應(yīng)以至少4％的量存在。下限可以為5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％。為了避免脆性問題，上限為35％。上限可設(shè)為34％、33％、32％、31％、30％、29％、28％、27％、26％、25％、24％、23％或22％。優(yōu)選范圍包括8％至32％、12％至30％和15％至25％。還已知mo對淬透性具有非常有利的影響，淬透性對于獲得好的二次硬化響應(yīng)是必需的。為此，優(yōu)選在1100℃下淬火之后殘留在基體中的mo的量為1.5％至2.5％。然而，硬化之后溶解在基體中的mo過多可能導(dǎo)致殘留奧氏體的量過高和硬度降低。為此，需要使mo的含量與含mo的硬質(zhì)硼化物相平衡，使得基體含有不超過4％或3.5％的溶解的mo，優(yōu)選不大于3.2％的mo。溶解的mo的優(yōu)選范圍可設(shè)為2.1％至3.1％。為此，優(yōu)選將mo/b比例調(diào)節(jié)為7至18，更優(yōu)選9至12。平衡mo/b比例的另一個原因是為了避免鉬的大量剩余，其可導(dǎo)致形成六方相m2c，其中m主要為mo和/或v?？蓪2c相的量限制為≤1.5體積％，優(yōu)選≤1體積％，或者甚至≤0.5體積％。硼(0.2％至2.8％)硼為主要的硬質(zhì)相形成元素，應(yīng)為至少0.2％以提供最小量為3％的硬質(zhì)相mo2feb2。為了不使合金變脆，b的量限于2.8％。下限可設(shè)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％。上限可設(shè)為2.7％、2.6％、2.5％、2.4％、2.3％或2.2％。鎢(≤22％)鎢可以以高達(dá)22％的量存在，因?yàn)楦吆康膚常用于基于ni的合金、高速鋼(hss)和t型工具鋼中。鎢的效果與mo的效果類似。然而，為了獲得相同的效果，需要基于重量％添加兩倍于mo的w。鎢昂貴并且還使廢金屬的處理復(fù)雜化。因此，在基于fe的合金中，最大量可限于3％、2.5％、2％、1.9％、1.8％、1.7％、1.6％、1.5％、1％、0.5％或0.3％。釩(≤15％)釩形成均勻分布的一次和二次析出的mc型碳化物。在本發(fā)明的鋼中，m主要為釩，但cr和mo在某種程度上可能存在。v的最大添加量限于15％，并且優(yōu)選的最大量為5％。然而，在本發(fā)明的情況下，添加v主要是為了硬化之前獲得鋼基體的所需組成。因此，添加量可限于2.0％、1.5％、1.0％、0.9％、0.8％、0.7％、0.6％或0.5％。下限可設(shè)為0.05％、0.1％、0.12％、0.14％、0.16％、0.15％或0.2％。優(yōu)選范圍為0.1％至0.5％的v。鈮(≤15％)鈮類似于釩，因?yàn)槠湫纬蒻c。然而，為了獲得相同的效果，需要添加基于重量％兩倍于v的nb。nb也導(dǎo)致更多角形狀的mc。因此，nb的最大添加量限制在15％，并且優(yōu)選的最大量為5％。上限可設(shè)為4％、3％、2％、1％、0.5％、0.3％、0.1％或0.05％?？砂壱栽谘趸X成形奧氏體(afa)不銹鋼中形成細(xì)析出的nbc。則優(yōu)選含量為0.1％至1.5％。硅(≤2.5％)硅可用于脫氧。si還增加碳活性并且有利于機(jī)械加工性。為了好的脫氧，優(yōu)選將si含量調(diào)節(jié)為至少0.1％。因此，si優(yōu)選以0.1％至2.5％的量存在。下限可設(shè)為0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％或0.4％。然而，si是強(qiáng)鐵素體形成元素且應(yīng)限于2.5％。上限可設(shè)為1.5％、1％、0.8％、0.7％或0.6％。優(yōu)選范圍為0.2％至0.8％。在某些合金，如某些類型的鋁合金不銹鋼中，并不大量需要si。因此，上限也可設(shè)為0.6％、0.5％、0.4％、0.3％、0.2％、0.1％或0.05％。錳(0％至15％)mn是奧氏體形成元素，并且增加了氮在合金中的溶解性。因此，mn可以以高達(dá)15％的量存在。錳有助于改進(jìn)鋼的淬透性，并且錳與硫一起有助于通過形成硫化錳以改進(jìn)機(jī)械加工性。因此，錳可以以0.1％，優(yōu)選至少0.2％的最小含量存在。在較高的硫含量下，錳可防止鋼中的紅脆性。上限可設(shè)為10％、5％、2.5％、1.5％、1.2％、1.0％、0.8％或0.6％。然而，在基于fe的合金中的優(yōu)選范圍為0.2％至0.8％和0.2％至0.6％。鎳可以使用鎳配平以使基于ni的產(chǎn)品具有mo2nib2作為主要硬質(zhì)相的。然而，在基于fe的合金中，ni是任選的，優(yōu)選以不大于25％、20％或15％的量存在。其賦予鋼好的淬透性和韌性。鎳可用于與al一起形成金屬間相，因此用于馬氏體時效鋼中的析出強(qiáng)化。此外，ni在afa合金中是不可缺少的，因此通常以10％至30％的量存在。由于費(fèi)用，在很多鋼中鎳含量受到限制。因此，在基于fe的合金中，上限可設(shè)為5％、2％、1.0％或0.3％。鐵可以使用鐵配平以使基于鐵的產(chǎn)品具有mo2feb2作為主要硬質(zhì)相。然而，在基于ni的合金中，fe是任選的，并且可以以不大于15％的量存在。上限可以為8％、7％、6％、5％、4％或3％。銅(≤5.0％)cu是任選元素，其可以有助于增加鋼的硬度和耐腐蝕性。上限可以為4％、3％、2％、1％、0.9％、0.7％、0.5％、0.3％或0.1％。然而，一旦添加了銅，就不可能從鋼中提取銅。這極大地使得廢料處理更困難。因此，通常不會特意添加銅。鈷(≤20％)co是任選元素，其可以以不大于20％的量存在。co溶于鐵(鐵素體和奧氏體)并使其加強(qiáng)，同時賦予高溫強(qiáng)度。co提高ms溫度。co可以主要替代mo2feb2硼化物中的fe。鈷常用于高速鋼。然而，co是昂貴的。因此上限可設(shè)為8％、7％、6％、5％、4％或3％。優(yōu)選最大含量為2％。然而，廢料處理將更加困難。因此，不需要特意添加co。ti、ta、zr、hf、y和rem這些元素可形成硼化物、氮氧化物和/或碳化物，并且為了一個或更多個目的(例如改變硬質(zhì)相的組成、改進(jìn)抗氧化性)，這些元素可以以所要求保護(hù)的范圍存在于合金中。rem代表稀土金屬，包括原子序數(shù)為21或57至71的元素。然而，對于很多應(yīng)用，這些元素均不特意添加。磷p是雜質(zhì)元素和固溶強(qiáng)化元素。然而，p傾向于向晶界偏析，降低內(nèi)聚力，從而降低韌性。因此，通常將p限制為≤0.05％。硫(≤0.5％)s有助于改進(jìn)鋼的機(jī)械加工性。在較高的硫含量下，存在紅脆性的風(fēng)險。此外，高硫含量可能對鋼的疲勞性能有負(fù)作用。因此，鋼應(yīng)含有≤0.5％，優(yōu)選≤0.03％。氮(≤0.5％)氮是任選組分。n可存在于固溶體中，但也可與b和c一起見于硬質(zhì)相顆粒中。上限可以為0.4％、0.3％、0.2％、0.15％、0.1％、0.05％和0.03％。鋁(≤7％)鋁是任選組分?？商砑觓l以使合金脫氧，用于形成金屬間化合物或用于提供抗氧化性。特別地，鋁可用于fecral或fecraly型鐵素體合金以及氧化鋁成形奧氏體(afa)不銹鋼中。在后一種類型的合金中，最小含量可設(shè)為0.8％、1.0％、1.2％、1.4％、1.6％或2％。用于脫氧的下限可設(shè)為0.005％、0.01％或0.03％。如果使用al來形成氧化鋁的保護(hù)性表面層，則下限可設(shè)為1％、1.5％、2％、2.5％或3％。上限為7％，但可設(shè)為6％、5％、4.5％、4％或3.5％。鋼可以以粉末形式用于增材制造(am)，特別是通過使用用于激光熔化或電子束熔化的市售裝置。因此其可用于在基底上提供耐磨覆層。粉末也可用于火焰噴涂等。通過粉末冶金(優(yōu)選通過氣體霧化)制造的合金具有非無定形基體，所述合金由以下重量％(wt.％)的元素組成：余量為fe和/或ni，加上雜質(zhì)，該合金包含3體積％至35體積％的硼化物、氮化物、碳化物和/或其組合中的至少之一的硬質(zhì)相顆粒，優(yōu)選至少60％的硬質(zhì)相顆粒由mo2feb2或mo2nib2組成。至少90％的硬質(zhì)相顆粒的尺寸小于5μm，并且至少50％的硬質(zhì)相顆粒的尺寸為0.3μm至3μm。優(yōu)選將mo/b的比例調(diào)節(jié)為7至18，并且合金的基體不包含大于4％的mo?？梢赃x擇鋼組分和熱處理以使鋼具有鐵素體、馬氏體、奧氏體或雙相奧氏體/鐵素體基體。可以將馬氏體基體中殘留奧氏體的量限制為15體積％、10體積％、5體積％或2體積％。實(shí)施例1將10kg具有以下給出的組成(以重量％計)的合金在實(shí)驗(yàn)室爐中熔化并進(jìn)行ar氣霧化。將粉末篩分至<500μm，填充入直徑為63mm，高度為150mm的鋼包套中。在1150℃的溫度下進(jìn)行熱等靜壓制(hiping)，保溫時間為2小時，壓力為110mpa。冷卻速度<1℃/秒。將這樣獲得的材料在1130℃下鍛造成20mm×30mm的尺寸。在900℃下以10℃/小時的冷卻速度降至750℃進(jìn)行軟退火，之后在空氣中自由冷卻。通過在1100℃下奧氏體化30分鐘進(jìn)行硬化，然后在水中淬火，然后回火?；鼗鹬蟮挠捕葴y試結(jié)果在表1中給出。發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)相的量為24體積％，并且發(fā)現(xiàn)硼化物具有小的尺寸。不同尺寸等級的硼化物的面積分?jǐn)?shù)在下表2中給出。表1.從1100℃硬化之后為回火溫度的函數(shù)的硬度。回火溫度(℃)硬度hrc20060300564005450053525535505460049表2.硼化物的尺寸分布尺寸范圍(μm)面積分?jǐn)?shù)(％)0至16.31至213.52至34.03至40.2顯微組織如圖1所示。mo2feb2硼化物的高面積分?jǐn)?shù)和均勻分布形成具有優(yōu)異抗磨損特性的材料，使得可以省去如pvd、cvd和td等表面處理。實(shí)施例2如實(shí)施例1所述生產(chǎn)具有以下給出的組成的合金。發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)相mo2feb2的量為25.1體積％，并且發(fā)現(xiàn)硼化物細(xì)且均勻地分布在基體中。使用鋼數(shù)據(jù)庫，用termo-calc軟件計算硬化后的基體組成。發(fā)現(xiàn)該基質(zhì)含有12.3％的cr和2.8％的mo，這表明其具有良好的耐腐蝕性。實(shí)施例3除了用氮?dú)膺M(jìn)行霧化之外，如實(shí)施例1所述生產(chǎn)具有以下給出的組成的合金。發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)相mo2feb2的量為12.6體積％，并且發(fā)現(xiàn)硼化物細(xì)且均勻地分布在基體中。除此之外，發(fā)現(xiàn)mc的量為0.6％，其中m主要為nb。發(fā)現(xiàn)計算出的基體組成含有0.02％的c、12.0％的cr、3％的mo、17.4％的ni、2.3％的al和0.2％的nb。因此，該實(shí)施例的合金可以歸類為硼化物增強(qiáng)的氧化鋁成形奧氏體(afa)不銹鋼。實(shí)施例4通過氣體霧化生產(chǎn)硼化物增強(qiáng)的析出硬化不銹鋼。鋼合金具有以下組成(以重量％計)：發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)相mo2feb2的量為13.9體積％，并且發(fā)現(xiàn)硼化物細(xì)且均勻地分布在基體中。發(fā)現(xiàn)計算出的基體的組成含有0.035％的c、12.05％的cr、2.2％的mo、8.6％的ni和1.6％的al。該鋼為馬氏體時效鋼，其可以通過在525℃至600℃的溫度下時效化而硬化至40hrc至52hrc的所期望的基體硬度。作為高度合金化的基體的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性，因此是用于含有腐蝕性添加劑的塑料和橡膠的可塑成型之非常合適的模具材料。工業(yè)適用性本發(fā)明的合金可用于廣泛的應(yīng)用。特別地，鋼可用于需要非常高耐磨損性的應(yīng)用中。當(dāng)前第1頁12