高温工具用合金制造技术

在钢的半固态成型中，热疲劳是限制模具服役寿命的主要因素，因为被成型的原料具有糊状特性。已开发出一种新型合金，其比任何其它合金都更耐热疲劳。在该新型合金中，司太立合金中的共晶碳化物被枝晶间的富钼金属间化合物颗粒所取代。经过在模拟的钢的半固态成形工艺环境下测试，这种新型合金与司太立6型合金相比，提供至少长3倍的服役寿命，并被认为是最理想的。该新型合金的优异性能是由于其优异的抗氧化性和在高温下的耐软化性，以及其钴基基体中不含硬而脆的碳化物，所述碳化物对裂纹扩展过程产生负面影响。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】局温工具用合金概述能够承受加工条件的工具材料，才会被用于在成型操作中。在高温成型操作的模具中使用的工具材料必须能够承受高温、相应温度下的机械载荷和热载荷、氧化作用以及强度的损失。本专利技术提供一种用于钢的半固态加工的新型工具材料，所述的半固态加工是一种具有吸引力的近净成形工艺(near-net process),其由于缺少合适的模具材料至今仍未被商业化。用于钢的半固态成型的模具材料必须承受高温下的热-机械循环、磨损和氧化。相对于至今仍被选择并广泛使用的钴基合金材料，本专利技术所述的工具材料的服役寿命提高了 3倍。因此，它对于生产锻造钢件是一种非常有吸引力的材料。无论是作为模具材料还是硬化面合金，本专利技术所述的材料都为钢的半固态加工提供了一个重要机遇，所述的半固态加工是一种具有吸引力的近净成形工艺，其由于缺少合适的模具材料至今仍未商业化。现有技术模具是一个非常关键的问题，因为模具组件占了塑性成型加工之部件成本的五分之一 [I]。用于钢件半固态锻造的模具是面临最苛刻条件的模具之一 [2-5]。从本质上看，由热循环产生的应力是限制寿命的主要因素，由于成型模具中待成型的原料的糊状特征，其机械应力是有限的[6]。热作模具钢并不适合所有用于钢的半固态成形的模具，尽管事实上它们从成本的角度看非常有吸引力[7-15]。 在高温模具应用中，钴基合金是很有吸引力的候选，因为其在很宽的温度范围内具有优异的性能[16-22]。司太立6(Stellite6)，一种广泛使用的钴基合金，可以用作模具材料或硬面化合金，其在现有技术中已经展示出其服役寿命相对于热作模具钢提高了 3倍[23，24]。然而，分散在铁素体枝晶臂之间的硬而脆的碳化物在裂纹扩展中起到了关键的作用，并导致了裂纹扩展速率增加。另外发现在高温磨损试验中碳化物更易于氧化，并且由于磨损率提高而破坏钴基司太立合金的耐磨性[25]。钴基合金的高成本是限制它们广泛使用的主要障碍。专利技术的详细说明本专利技术开发了一种适于钢的半固态成型的新型钴基合金。考虑到司太立合金中碳化物对高温下热循环裂纹扩展的负面影响，这种新型的合金被设计成不含有碳。本专利技术的另一个不同于同类合金的关键特性是其铁含量高得多(高达12重量％ )。该组分的调整是为了解决在表面硬化操作中下层钢基体中的铁对表面硬化层的稀释(dilut1n)。这样做的另一个动机是显著降低钴基合金的成本。本专利技术的所述合金不含碳。此外，它的铁含量远高于同类合金。该特征不仅在成本方面改进，而且解决了模具钢表面硬化过程中常遇到的稀释效应。由于本合金的化学组分，司太立合金中的共晶碳化物被分散在枝晶晶界上的富钥金属间化合物颗粒所取代。相对于司太立6合金，本专利技术的合金所制造的模具的服役时间提高了 3倍，所述司太立6合金经测试后被认为是至今在钢的半固态成型工艺下最好的模具材料。所述新型材料的这种优异性能是由于其在高温下的耐氧化性和抗回火软化性，以及没有损害抗裂纹扩展性的硬而脆的碳化物的富钴基体。本专利技术的无碳钴基合金的制备是在真空条件下采用2千克容量的感应炉熔融工业纯度的元素。由此获得的合金熔体随后在1580-1600°C及真空下铸入具有氮化硼涂层的永久铸模。本专利技术所述合金的微结构由铁素体枝晶固溶基体相和在枝晶间位置的富钥金属间化合物颗粒组成(图1)。在本专利技术所述合金中，司太立合金中的碳化物被富钥金属间化合物颗粒所取代。这些颗粒的硬度比基体相硬度高将近两倍。经测量，基体相和富钥颗粒的硬度分别是382±52HV 和 700±143HV。25mmX25mmX20mm大小的本专利技术合金样品,通过热疲劳试验确定其性能。考虑现有常规锻造和半固态锻造操作中的模具表面温度，最小和最大的热循环温度分别被选择为450摄氏度和750摄氏度。前一个温度是模具在塑性成形工艺中被加热到的温度，后一个温度是在钢的半固态成形锻造中测量到的模具表面的最高温度。热疲劳试验样品的正面用氧乙炔焊在30秒内加热至750摄氏度，并在随后的30秒内用强风冷却到450摄氏度(图2)。热疲劳试验样品的正面和背面的温度通过固定在各表面上钻入0.1mm的3mm直径的孔中的K型热电偶来测量。一旦在正面检测到氧化和/或热疲劳裂纹，就终止热疲劳试验。采用光学和体视显微镜对热循环引入的损伤进行定量评价。当试样正面的最小和最大温度在450和750摄氏度之间循环时，在模具的热疲劳试样的背面测量到的最低和最高温度分别为486和580摄氏度。正面和背面之间的温度差在整个样品的截面建立起热梯度。在典型的热循环开始的27秒内，试样的正面和背面之间的温度差多达192摄氏度。在考虑测得的穿过样品截面的热梯度的情况下，热疲劳试样正面的最大拉伸应力和压缩应力被分别估计为472MPa和210MPa。如图3所示，由本专利技术的合金制得的热疲劳试样的正面在热循环过程中面临的温度最高，热应力也最高。该样品的抗热疲劳性显示其直到13000次热循环都没有出现热疲劳开裂迹象，因此被认为是优异的。在总的13000次热循环之后，在每500次循环进行的定期检查期间，在正面检测到有几段连接着表面氧化膜的起泡和起皱处的微小的线(图3a)。这些轻微痕迹在进行了另外的3000次热循环后才会发展成为真正的热疲劳裂纹(图3b)。最后，在总计16000次热循环后，在两个表面起皱的交叉处有表面氧化物脱落造成的明显尺寸的裂纹(图3b)。在此时终止热疲劳试验，并用标准金相做法研究试样的正面。研究发现，表面裂纹是穿过晶粒的，而非穿过晶界(图3c)。当热作模具钢试样被司太立6合金硬化面涂覆，并在完全相同的条件下进行热疲劳实验时，实验在5000次循环后不得不终止。此时热疲劳裂纹已经完全穿过了 2mm厚的司太立6表面层。在进行4500次循环后发现开始产生热疲劳裂纹，并在随后的定期500次循环检查期间发现该热疲劳裂纹在接下来的500次循环中增长了近2_[24]。 需要13000次热循环才会出现热裂纹，并所形成的热疲劳裂纹在另一个3000次循环后仅增长1mm。(图4)。这个简单的对比证据证明本专利技术合金的裂纹扩展速率比司太立6合金低至少10倍。根据前文可公正地说，本专利技术所述的合金不仅具有优异的抗热疲劳裂纹萌发性，并且具有抗热疲劳裂纹扩展性。本专利技术合金这种优异的抗裂纹扩展性是由于其微观结构中没有脆性的碳化物，该碳化物被发现在司太立6合金中促进裂纹的扩展[24，26]。在考虑热作模具钢在同样条件下的表现后，本专利技术所述的合金在高温热循环条件下的特性会更加明显。由于表面严重的氧化以及降解[23，24]，热作模具钢在同样的条件下仅能承受1000次热循环。在15000次循环后终止热循环时，在热作模具钢试样的正面上注意到充满了大量氧化物的深层裂缝。直到今天，司太立6合金仍被确定为是最成功的高温合金，无论是作为模具材料本身或作为焊接覆盖表层，但其只能在这些循环条件下承受5000次循环以保证正面没有裂纹[23]。因此很公平地说，相对于司太立6合金和热作模具钢，本专利技术所述的合金的服役寿命分别提高了至少3倍和至少10倍。本专利技术的合金的优异抗热疲劳性能证明它卓越的抗高温氧化性能。此抗氧化性是因为合金组分中的铬，其中铬优先氧化并在模具表面形成一个缓慢生长的、稳定的保护性氧化物膜[23，24]。通过低角X-射线衍射分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钴基合金，其化学组分中不含有碳，并含有9‑15重量％的Fe。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.11.18 TR 2011/114341.一种钴基合金，其化学组分中不含有碳，并含有9-15重量％的Fe。2.根据权利要求1所述的合金，其具有铁素体枝晶基体相和在枝晶晶界处的富钥金属间颗粒。3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·卡基尔，F·阿拉盖伊克，Y·比罗尔，
申请(专利权)人：土耳其科学技术研究理事会，
类型：发明
国别省市：土耳其;TR