对用于加工的钢的韧贝氏体热处理制造技术

本发明专利技术涉及已经开发以获得在工具钢或类似的高合金钢中的大型材上良好的韧性和均匀性的方法。所得到的微观组织主要为贝氏体。该方法对于热加工工具钢在需要大型材和非常高的韧性的应用中是特别好的。该方法在于向表现出足够低的马氏体转变温度(Ms)的工具钢应用低温贝氏体转变。额外地或备选地，用其他更细碳化物，主要是含有对碳具有比铁强的亲和力的元素的混合碳化物，代替来自贝氏体的渗碳体。如果应用于具有高含量的Si或Al(分别>1.3％和>0.4％)的钢(其中削弱了渗碳体生长)，该方法特别简单。对于低成本注塑成型和结构钢来说，该方法也表现良好。甚至一些较高合金工具钢也可以受益于本方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对用于加工的钢的韧贝氏体热处理 专利
本专利技术涉及对某些钢（通常是合金工具钢或可以用于工具的钢并且尤其是热加 工工具钢）进行韧性完全和部分贝氏体热处理。这种热处理策略允许获得在大型材（heavy section)上的性能的相当均匀分布。所得微观组织表现出高韧性。本专利技术还通常被应用于 高韧性注塑成型和结构钢，以及甚至应用于冷加工和高速钢。 榧述 工具钢通常需要被认为是相反的不同性能的组合。典型实例可以是屈服强度和韧 性。对于大多数工具钢来说，当进行纯马氏体热处理、接着进行足够的回火以得到所需硬度 时，据信可以获得此类性能的最好折中。 对于大型材来说，通常不能得到在整个横截面上的纯马氏体微观组织，并且十分 常见的是甚至不能在表面处得到这种微观组织。在一些工具钢中，具有贝氏体和马氏体的 混合微观组织具有特别低的断裂韧性，这对多种应用非常有害，例如在热疲劳是主要损伤 机制的应用中。 对于大多数工具钢来说，得到在整个大型材上的马氏体微观组织意味着采用可能 会容易导致破裂的非常剧烈的冷却。 在大多数应用中，硬度（即机械耐受性或屈服强度）和韧性（弹性或断裂韧性） 不是工具钢的唯一相关材料性能，而且一些其他性能也是相关的或至少在设计加工方案时 足够相关以被考虑。此类性能可以是：对加工条件的耐受性（耐腐蚀性、耐磨性、在高温下 的抗氧化性……）、热性能（热扩散率、导热率、比热、热膨胀系数……）、磁和/或电性能、温 度耐受性和许多其他性能。通常这些性能是微观组织依赖性的并且因此将会在热处理期间 改变。因此，对给定的应用来说，优化热处理赋予了最佳的性能折中。 在材料成形过程中的磨损主要是摩擦和粘着，尽管有时还存在其他磨损机制，t匕 如腐蚀和空化。为了抵消摩擦磨损，在工具钢中通常需要硬粒子，这些硬粒子通常是陶瓷粒 子，比如碳化物、氮化物、硼化物或一些它们的组合。以这种方式，对于给定的应用来说，指 定的硬粒子的体积分数、硬度和形态将决定材料耐磨性。此外，对于确定在摩擦磨损条件下 的材料耐久性，工具材料的使用硬度是非常重要的。硬粒子形态决定了它们对基体的附着 以及能够被抵消而本身不与工具材料基体分离的摩擦外来粒子的尺寸。抵消粘着磨损的最 佳方式是使用通常为在工具材料上的陶瓷涂层的形式的FGM材料（功能分级材料）。在这 种情况下，为通常非常脆的涂层提供良好的支持是非常重要的。为了为涂层提供良好的支 持，工具材料必须是硬质的并且具有硬粒子。以这种方式，对于一些工业应用来说，需要具 有在较高水平的硬度下具有高热扩散率并且具有次级碳化物、氮化物和/或硼化物并且通 常还是初级硬粒子（在需要抵消大摩擦粒子的情况中）的形式的硬粒子的工具材料。 在一些应用中，与磨损相比，对加工环境的耐受性更多关注于耐腐蚀性或抗氧化 性，尽管二者通常共同存在。在此类情况下，在加工温度下的抗氧化性或针对侵蚀性试剂的 耐腐蚀性是合乎需要的。对于此类应用来说，通常根据应用采用在不同硬度水平的并且具 有不同耐磨性的耐腐蚀性工具钢。 热梯度是热冲击和热疲劳的原因。在许多应用中，归因于低暴露时间和来自引起 温度梯度的源的有限量的能量，没有实现稳定的传递状态。工具材料的热梯度的大小还是 其导热率的函数（反比例关系适用于具有足够小的毕奥数（Biotnumber)的所有情况）。 因此，在具有特定的热通量密度函数的特定的应用中，使具有较高导热率的材料 经受较低的表面负荷，因为得到的热梯度较低。当热膨胀系数较低并且杨氏模量较低时同 样适用。 传统上，在其中热疲劳是主要损伤机制的许多应用中，如在许多铸造或轻合金挤 出的情况中，需要使传导性和韧性（通常是断裂韧性和CVN)最大化。 大多数锻造应用使用在48-54HRC范围内的硬度，优选用具有大约50-54HRC的 硬度的工具进行注塑成型，但是对于大型注塑模来说，通常使用30-45HRC预淬硬的材料， 通常用表现出在47-52HRC范围内的硬度的工具进行锌合金的拉模铸造，而更通常具有 35-49HRC的模中铸造黄铜和铝，大多用表现出48-54HRC的硬度的工具进行涂层片材的热 冲压，并且对于未涂布的片材来说是54-58HRC。对于片材拉拔和切割应用来说，最广泛使 用的硬度处于56-66HRC范围中。对于一些微细切割应用来说，甚至使用在64-69HRC内的 较高硬度。在本段中描述的不同应用的几乎所有实例中，弹性、断裂韧性或二者是非常重要 的。 贝氏体热处理的一个另外的优点是，它们可以以较不急剧的淬火速率得到。此外 对于一些工具钢来说，它们可以提供在较厚断面上的类似微观组织。对于具有延缓的贝氏 体转变的一些工具钢来说，可以得到在极大型材的断面上的完全均匀的贝氏体微观组织。 遗憾的是，众所周知具有在马氏体预期微观组织中存在相当多的部分的贝氏体的 微观组织的工具钢表现出低韧性，并且尤其是低断裂韧性。 然而，如果在足够低的温度下发生转变，贝氏体可以是非常细的并且提供高硬度 和韧性。许多应用需要高韧性，无论是弹性或是断裂韧性。在注塑应用中，通常使薄壁（就 抗性横截面而言）经受高压。当那些壁高时，在通常具有小半径的底部产生大的力矩，并且 因此需要高水平的断裂韧性。在热加工应用中，钢通常经受剧烈热循环，导致在拐角上的裂 纹或在表面上的热裂。为了避免此类裂纹的快速蔓延，对于那些钢来说，在加工温度下具有 尽可能高的断裂韧性也是重要的。已经做出许多努力以在此类应用中获得纯马氏体组织， 这通过以下方式进行：适当的合金化以延缓贝氏体转变动力学，或者通过方法的开发以增 加冷却速率而避免破裂。作者已经观察到，对韧性、并且尤其是断裂韧性非常有害的是马氏 体和贝氏体的混合物，即使对于少量的后者来说。但是如果贝氏体是存在的唯一相，或者至 少占据显著优势的，并且尤其是如果贝氏体是细下贝氏体，则可以在高温下得到非常高的 韧性值以及断裂韧性值。作者也已经观察到，即使对于较高和较粗的贝氏体来说，当合金化 水平足够高并且遵循适当的回火策略时，那么可以用细碳化物代替大多数粗渗碳体并且尤 其在较高温度下得到良好的韧性值。如所提到的，对于大型材来说通常难以实现马氏体热 处理，或者它们可能会涉及对其他性能有害的合金化。 专利技术人已经观察到，用于在需要大型材和高机械性能的加工中得到均一的高韧性 值的可能的方式是通过：在具有足够低的马氏体转变温度起始点工具钢或者可能是高合金 钢上实现至少70%贝氏体微观组织（优选多于80%并且甚至多于90% )，以及在与马氏体 转变温度起始点足够接近的温度下实现大多数的贝氏体转变以具有细贝氏体微观组织。备 选地，对于在较高温度下需要韧性的应用来说，在足够的合金化元素和适当的回火策略的 存在下可以解决这些问题，以用其他碳化物代替大多数Fe3C，并且因此即使对于较粗的贝 氏体来说也得到高韧性。也可以在某些实例中使用传统方式，其在于避免粗Fe3C和/或随 着促进其成核的元素，比如Al、Si……，的加入其在晶界上的析出。对于大多数应用来说， 还有利的是使用热-机械处理，引起最终晶粒尺寸的精制。 现有抟术水平 超级贝氏体或高强度贝氏体钢是由H.K.D.H.Bhadeshia等人开发的低合金钢， 其中使用低温贝氏体转变以得到高机械性能（作为实例，可以选取：Ver本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造钢、铸造模具或工具的方法，所述方法包括提供存在贝氏体和马氏体区域二者的钢，其中对所述钢进行热处理，所述热处理包括下列步骤：a)奥氏体化，b)足够快速地冷却以避免形成多于20％的具有高于贝氏体的转变温度的稳定相，c)将温度维持在Ms+300℃至Ms‑50℃之间以转变至少60体积％的残余奥氏体，其中Ms是马氏体转变温度起始点；其中在距经热处理的钢的表面至少20mm的范围内至少70％的微观组织是具有CVN高于8焦耳的细碳化物类成分的贝氏体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.07 EP 12166949.31. 一种制造钢、铸造模具或工具的方法，所述方法包括提供存在贝氏体和马氏体区域 二者的钢，其中对所述钢进行热处理，所述热处理包括下列步骤： a) 奥氏体化， b) 足够快速地冷却以避免形成多于20%的具有高于贝氏体的转变温度的稳定相， c) 将温度维持在Ms+300°C至Ms-50°C之间以转变至少60体积％的残余奥氏体，其中 Ms是马氏体转变温度起始点； 其中在距经热处理的钢的表面至少20mm的范围内至少70%的微观组织是具有CVN高 于8焦耳的细碳化物类成分的贝氏体。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述钢具有等于或低于480°C的马氏体转变起始 点（Ms)。3. 根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述钢含有至少3%的比铁强的碳 化物形成元素，并且在所述热处理之后进行至少一个高于500°C的回火循环，以分离合金渗 碳体，以使所述渗碳体溶解在固溶体中，并且以分离所述比铁强的碳化物形成元素。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述钢含有至少0. 4% Si和/或 0. 4% Al用于延缓所述渗碳体的生长。5. 根据权利要求1或4中任一项所述的方法，其中在所述贝氏体形成时，用至少一个在 高于500°C的温度下的回火循环将所述钢回火，以确保所述渗碳体的大部分被含有比铁强 的碳化物形成元素的碳化物类组织代替。6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述钢是高导热性钢，并且所述至少 一个回火循环在高于540°C的温度下进行，从而提供特征在于热扩散率高于SmmVs的低散 射组织。7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述钢具有下列组成，所有百分数以 重量百分数表示：余量由铁和痕量元素组成，其中 % Ceq = % C+0. 86*% N+1. 2*% B, 并且 % Mo+1/2 · % ff>2. 0〇8. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述钢具有下列组成，所有百分数以 重量百分数表示：余量由铁和痕量元素组成，其中 % Ceq = % C+0. 86*% N+1. 2*% B。9. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述钢具有下列组成，所有百分数以 重量百分数表示：余量由铁和痕量元...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾萨克·巴尔斯盎格鲁斯，
申请(专利权)人：沃斯贝茨公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE