發(fā)明涉及氮合金化的冷加工工具鋼(冷作工具鋼，cold work tool steel)。

背景技術(shù)：

氮和釩合金化的粉末冶金(PM)工具鋼由于它們獨(dú)特的高硬度、高耐磨性和優(yōu)異的耐擦傷性(耐咬住性，galling resistance)的組合而獲得相當(dāng)大的興趣。這些鋼在其中占主導(dǎo)的疲勞機(jī)制為粘附性磨損或擦傷的情況下具有寬范圍的應(yīng)用。典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括沖裁(blanking)和成型、精密沖裁、冷擠壓、深拉和粉末壓制(powder pressing)。將基礎(chǔ)鋼組合物霧化、使其經(jīng)歷氮化、并且之后將粉末填充到包囊(capsule)中并使其經(jīng)歷熱等靜壓壓制(HIP)以制造各向同性鋼。用此方式制造的高性能鋼為。其具有高的碳、氮和釩含量，且還與顯著量的Cr、Mo和W合金化，這導(dǎo)致包含類型MX(14體積％)和M₆C(5體積％)的硬質(zhì)相的顯微結(jié)構(gòu)(mircostructure)。所述鋼描述于WO 00/79015 A1中。

盡管具有非常吸引人的性質(zhì)概況(profile)，但是一直力求改善工具材料以進(jìn)一步改善所制造的產(chǎn)品的表面品質(zhì)以及延長工具壽命，特別地在其中擦傷是主要問題的嚴(yán)格的工作條件下。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為先進(jìn)的冷加工提供具有改善的性質(zhì)概況的氮合金化的粉末冶金(PM)制造的冷加工工具鋼。

本發(fā)明的另一目的是提供具有導(dǎo)致所制造的部件的表面品質(zhì)改善的組成和顯微結(jié)構(gòu)的粉末冶金(PM)制造的冷加工工具鋼。

通過提供具有如權(quán)利要求中所闡明的組成的冷加工工具鋼顯著地實(shí)現(xiàn)前述目的以及另外的優(yōu)勢。

發(fā)明定義在權(quán)利要求中。

具體實(shí)施方式

下面簡要地解釋所主張的合金的單獨(dú)元素的重要性和它們彼此的相互作用以及化學(xué)成分的限制。所述鋼的化學(xué)組成的全部百分比在整個說明書中以重量％(wt.％)給出。個體元素的上限和下限可在權(quán)利要求1中所闡述的界限內(nèi)自由地進(jìn)行組合。

碳(0.5-2.1％)

碳以0.5％的最小含量、優(yōu)選地至少1.0％存在。碳的上限可被設(shè)定為1.8％或2.1％。優(yōu)選的范圍包括0.8-1.6％、1.0-1.4％和1.25-1.35％。碳對于MX的形成和對于淬火(硬化，hardening)是重要的，其中金屬M(fèi)主要為V，但是Mo、Cr和W也可存在。X為C、N和B的一種或多種。優(yōu)選地，調(diào)節(jié)碳含量以獲得在奧氏體化溫度下溶解于基體中的0.4-0.6％C。無論如何，應(yīng)該控制碳量使得所述鋼中的類型M₂₃C₆、M₇C₃和M₆C的碳化物的量受到限制，優(yōu)選地所述鋼不含所述碳化物。

氮(1.3-3.5％)

氮在本發(fā)明中對于MX型的硬質(zhì)碳氮化物的形成是必要的。因此，氮應(yīng)該以至少1.3％的量存在。下限可為1.4％、1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％、2.0％、2.1％或甚至2.2％。上限為3.5％，且其可被設(shè)定為3.3％、3.2％、3.0％、2.8％、2.6％、2.4％、2.2％、2.1％、1.9％或1.7％。優(yōu)選范圍包括1.6-2.1％和1.7-1.9％。

鉻(2.5-5.5％)

鉻以至少2.5％的含量存在以提供足夠的淬透性。為了在熱處理期間提供在大的橫截面中良好的淬透性，Cr優(yōu)選為較高的。如果鉻含量過高，則這可導(dǎo)致不期望的碳化物例如M₇C₃的形成。另外，這還可增大殘余奧氏體在顯微結(jié)構(gòu)中的傾向。下限可為2.8％、3.0％、3.2％、3.4％、3.6％、3.8％、4.0％、4.2％、4.35％、4.4％或4.6％。上限可為5.2％、5.0％、4.9％、4.8％或4.65％。鉻含量優(yōu)選為4.2-4.8％。

鉬(0.8-2.2％)

Mo已知對淬透性具有非常有利的效果。鉬對于獲得良好的二次硬化響應(yīng)是必要的。最小含量為0.8％，且可被設(shè)定為1％、1.25％、1,5％、1.6％、1.65％或1.8％。鉬是強(qiáng)的碳化物形成元素。然而，鉬還是強(qiáng)的鐵素體形成物。而且由于限制除MX之外的硬質(zhì)相的量的原因，也需要約束Mo。具體地，應(yīng)該將M₆C-碳化物的量限制至優(yōu)選地≤3體積％。更優(yōu)選地，M₆C-碳化物應(yīng)該不存在于顯微結(jié)構(gòu)中。因此鉬的最大含量為2.2％。優(yōu)選地Mo被限制至2.15％、2.1％、2.0％或1.9％。

鎢(≤1％)

鎢的效果和Mo的效果類似。然而，為了獲得相同的效果，必須添加以重量％計和Mo兩倍多的W。鎢是昂貴的且其還使廢金屬的處理復(fù)雜化。類似于Mo，W也形成M₆C碳化物。最大量因此限制至1％、優(yōu)選0.5％、更優(yōu)選0.3％，且最優(yōu)選地根本不故意添加W。通過不添加W和如上所闡明地約束Mo，使完全避免M₆C碳化物的形成成為可能。

釩(6-18％)

釩形成均勻分布的一次沉淀的類型MX的碳化物和碳氮化物。該沉淀物可由式M(N,C)表示，且它們因高的氮含量也經(jīng)常被稱為氮碳化物。在本發(fā)明的鋼中，M主要為釩，但是Cr和Mo也可以一定程度存在。釩應(yīng)該以6-18％的量存在以得到期望量的MX。上限可被設(shè)定為16％、15％、14％、13％、12％、11％、10.25％、10％或9％。下限可為7％、8％、8.5％、9％、9.75％、10％、11％或12％。優(yōu)選的范圍包括8-14％、8.5-11.0％和9.75-10.25％。

鈮(≤2％)

鈮和釩類似，因?yàn)樗纬蒑X或類型M(N，C)的碳氮化物。然而，Nb導(dǎo)致M(N,C)更有角的(angular)形狀。因此，Nb的最大添加約束至2.0％，且優(yōu)選的最大量為0.5％。優(yōu)選地，不添加鈮。

硅(0.05-1.2％)

硅用于脫氧。Si還增加碳活度且對于機(jī)械加工性是有益的。因此，Si以0.05-1.2％的量存在。為了良好的脫氧，優(yōu)選將Si含量調(diào)節(jié)至至少0.2％。下限可被設(shè)定為0.3％、0.35％或0.4％。然而，Si是強(qiáng)的鐵素體形成物，且應(yīng)該被限制至1.2％。上限可被設(shè)定為1.1％、1％、0.9％、0.8％、0.75％、0.7％或0.65％。優(yōu)選的范圍為0.3-0.8％。

錳(0.05-1.5％)

錳有助于改善所述鋼的淬透性，且錳與硫一起通過形成硫化錳有助于改善機(jī)械加工性。因此，錳應(yīng)該以0.05％的最小含量、優(yōu)選地至少0.1％和更優(yōu)選地至少0.2％存在。在較高的硫含量下，錳防止所述鋼中的熱脆性。所述鋼應(yīng)該包含最大1.5％的Mn。上限可被設(shè)定為1.4％、1.3％、1.2％、1.1％、1.0％、0.9％、0.8％、0.7％、0.7％0.6％或0.5％。然而，優(yōu)選的范圍為0.2-0.9％、0.2-0.6和0.3-0.5％。

鎳(≤3.0％)

鎳是任選的，且可以最高3％的量存在。它給予所述鋼良好的淬透性和韌性。由于費(fèi)用，應(yīng)該盡可能地限制所述鋼的鎳含量。相應(yīng)地，Ni含量被限制至1％、優(yōu)選地0.3％。最優(yōu)選地，不進(jìn)行鎳添加。

銅(≤3.0％)

Cu是可有助于提高所述鋼的硬度和耐蝕性的任選元素。若使用，優(yōu)選的范圍為0.02-2％，且最優(yōu)選的范圍為0.04-1.6％。然而，一旦已經(jīng)添加銅，就不可能從所述鋼提取出銅。這急劇地使廢料處理更困難。由于該原因，正常情況下不故意添加銅

鈷(≤12％)

Co是任選的元素。Co在鐵(鐵素體和奧氏體)中溶解，且使其強(qiáng)化，同時賦予高溫強(qiáng)度。Co提高M(jìn)_s溫度。在溶解熱處理期間，Co幫助抵抗晶粒生長，使得可使用較高的溶解溫度，其保證較高百分比的碳化物被溶解，導(dǎo)致改善的二次硬化響應(yīng)。Co還推遲碳化物和碳氮化物的聚結(jié)，且趨于導(dǎo)致二次硬化在較高的溫度下發(fā)生。Co有助于增大馬氏體的硬度。最大量為12％。上限可被設(shè)定為10％、8％、7％、6％、5％或4％。下限可被設(shè)定為1％、2％、3％、4％或5％。然而，由于實(shí)際原因例如廢料處理，不故意添加Co。優(yōu)選的最大含量為1％。

磷(≤0.05)

P是固溶體強(qiáng)化元素。然而，P趨于偏析到晶界，減少內(nèi)聚力和由此的韌性。因此，P被限制至≤0.05％。

硫(≤0.5％)

S有助于改善所述鋼的機(jī)械加工性。在較高的硫含量下，存在熱脆性的風(fēng)險。而且，高的硫含量可對于所述鋼的疲勞性質(zhì)具有負(fù)面影響。因此，所述鋼應(yīng)該包含≤0.5％、優(yōu)選地≤0.03％。

Be、Bi、Se、Ca、Mg、O和REM(稀土金屬)

這些元素可以所主張的量添加到所述鋼中以進(jìn)一步改善所主張的鋼的機(jī)械加工性、熱加工性和/或焊接性。

硼(≤0.6％)

可任選地使用顯著量的硼以輔助硬質(zhì)相MX的形成?？墒褂肂以增大所述鋼的硬度。所述量進(jìn)而可被限制至0.01％，優(yōu)選地≤0.004％。

Ti、Zr、Al和Ta

這些元素是碳化物形成物且可以所主張的范圍存在于所述合金中以改變硬質(zhì)相的組成。然而，正常情況下這些元素均不添加。

鋼制造

具有所主張的化學(xué)組成的工具鋼可通過常規(guī)的氣體霧化(gas atomizing)、隨后進(jìn)行氮化處理而制造。所述氮化可通過如下而進(jìn)行：使霧化的粉末在500-600℃下經(jīng)歷基于氨氣的氣體混合物，從而氮擴(kuò)散到所述粉末中、與釩進(jìn)行反應(yīng)、且使微小的碳氮化物成核。正常情況下，所述鋼在使用之前經(jīng)歷淬火和回火。

奧氏體化可在950-1150℃、典型地1020-1080℃范圍內(nèi)的奧氏體化溫度(T_A)下進(jìn)行。典型的處理包括在1050℃下奧氏體化30分鐘、氣體驟冷(淬火，quenching)和在530℃下以1小時回火三次、隨后進(jìn)行空氣冷卻。這導(dǎo)致60-66HRC的硬度。

實(shí)施例

在該實(shí)施例中，將根據(jù)本發(fā)明的鋼與已知的鋼進(jìn)行對比。兩種鋼均通過粉末冶金法制造。

使基礎(chǔ)鋼組合物熔融并經(jīng)歷氣體霧化、氮化、包封和HIP處理。

由此獲得的鋼具有以下組成(以重量％計)：

余量的鐵和雜質(zhì)

檢查兩種鋼的顯微結(jié)構(gòu)，且發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的鋼包含約20體積％的MX(黑色相)，其粒子是小尺寸的且均勻分布在基體內(nèi)，如圖1中所公開的。

另一方面，對比鋼包含約15體積％的MX和約6體積％的M₆C(白色相)，如圖2中所示的。從該圖明晰的是，M₆C碳化物比MX粒子大而且M₆C碳化物的粒度分布有些發(fā)散(分散，spread)。

將所述鋼在1050℃奧氏體化30分鐘，且通過氣體驟冷而淬火并在550℃回火1小時(3x 1h)，隨后進(jìn)行空氣冷卻。這導(dǎo)致發(fā)明鋼63HRC和對比材料62 HRC的硬度。使用軟件版本S-build-2532和數(shù)據(jù)庫TCFE6在Thermo-Calc模擬中計算奧氏體化溫度(1050℃)下的基體的平衡組成以及一次MX和M₆C的量。該計算顯示，發(fā)明鋼不含M₆C碳化物且包含16.3體積％的MX。另一方面，發(fā)現(xiàn)對比鋼包含5.2體積％的M₆C和14.3體積％的MX。

將所述兩種材料用在用于冷軋不銹鋼的輥軋機(jī)中，且發(fā)現(xiàn)發(fā)明鋼導(dǎo)致冷軋鋼改善的表面微粗糙度，其可歸因于更均勻的顯微結(jié)構(gòu)和不存在大的M₆C碳化物。

工業(yè)實(shí)用性

本發(fā)明的冷加工工具鋼在要求非常高的耐擦傷性的應(yīng)用(例如奧氏體不銹鋼的沖裁和成型)中是特別有用的。MX碳氮化物的小尺寸和其均勻分布的組合也被預(yù)期導(dǎo)致改善的耐擦傷性。