耐腐蚀耐磨合金制造技术

本发明专利技术涉及一种粉末冶金耐腐蚀耐磨工具钢制品及其合金。所述制品通过氮气雾化预合金的高铬、高钒、高铌粉末颗粒的热等静压成型制造。所述合金的特征在于非常高的耐磨性和耐腐蚀性，这使其特别适合用于制造高级轴承结构中的零件以及暴露于严酷的磨损和腐蚀条件（例如在塑料注射成型工业和食品工业中所经历的条件）下的机械部件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新型粉末冶金耐腐蚀耐磨工具钢，所述耐腐蚀耐磨工具 钢与其他耐腐蚀耐磨工具钢相比提高了耐腐蚀性。
技术介绍
为了令人满意地运行，在许多要求苛刻的用途(如在塑料注射成型工 业中的螺杆和机筒)中使用的合金必须对磨损和腐蚀具有耐受性。工业中 的加工参数(例如温度和压力)有提高的趋势，这使得对合金的要求不断提 高，要求合金具有良好地承受由被加工材料导致的腐蚀作用和磨损的能 力。此外，这些材料的腐蚀性和磨损性在不断地增加。为了承受在操作期间施加的应力，工具钢还必须具有足够的机械性 能，诸如硬度、弯曲断裂强度和韧度。此外，工具钢必须具有足够的热 加工性、机械加工性和可磨削性，以确保能够制造所需形状和尺寸的部 件。耐磨工具钢的耐腐蚀性主要取决于在基体中的"游离"铬的量，即 没有"束缚"在碳化物中的铬的量。由于富含铬的碳化物的形成，在基 体中"游离"铬的量并非必然与总化学组成中的量相同。为获得良好的 耐腐蚀性，全硬化工具钢必须在热处理之后的马氏体基体中含有至少12重 量％的"游离"铬。工具钢的耐磨性取决于初生碳化物的量、类型和尺寸分布，还取决 于整体硬度。由于初生合金碳化物具有高硬度，所以其主要功能是提供 耐磨性。在工具钢中常见的初生碳化物的所有类型中，富含钒的MC初生碳化物具有最高的硬度。通常，初生碳化物体积分数越高，工具钢的 耐磨性越好，其韧性和热加工性越差。耐腐蚀耐磨马氏体工具钢也必须含有相对较高水平的用以形成初生碳化物的碳和热处理响应(heat treatment response)。由于铬对碳有高亲合 性，并与碳形成富含铬的碳化物，因此耐腐蚀耐磨工具钢必须含有超过 用于耐腐蚀性所必需的量的铬以形成碳化物。其中，市售的耐腐蚀耐磨马氏体工具钢包括如440C、 CPM S90V、 M390、 Elmax和HTMX235等级别。尽管在这些合金中一些合金的总铬 含量高达20重量。/。(例如M390)，但耐腐蚀性未必与期望的一样好。根据 总化学组成和热处理参数，大量的铬脱离基体而被束缚在富含铬的碳化 物中。这些被束缚的络不能为耐腐蚀性做出贡献。如在美国专利2,716,077中举出的例子，用于改善耐磨性和耐腐蚀性 组合的一种做法是加入钒。通过这种形成合金的添加手段，形成了坚硬 的富含钒的MC初生碳化物并束缚了一部分碳。由于钒对碳的亲合性较 铬为高，在所有其他条件均相同(即总铬和总碳含量以及热处理参数)的情 况下，在工具钢中钒的存在降低了富含铬的初生碳化物的量。在马氏体基体中存在钼时，可进一步改善工具钢的耐腐蚀性。 一个 例子是Crucible 154 CM级，其基于Fe-1.05C-14Cr-4Mo体系。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供具有显著改善的耐腐蚀性和耐磨性的耐磨 耐腐蚀粉末冶金工具钢。在本专利技术的合金中，除钒之外，铌也用于进一 步增加MC初生碳化物的量。由于铌具有比钒更高的对碳的亲合性，这 使得减少了富含铬的初生碳化物量。本专利技术依据以下发现，即向耐腐蚀耐磨工具钢中加入铌将导致形成 富含铌的初生碳化物，所述富含铌的初生碳化物不溶解大量的铬。形成 所述富含铌的碳化物的结果是在基体中更少的碳可供形成富含铬的碳化 物。因此，更多的铬保持溶解在基体中并有助于更好的耐腐蚀性。通过 优化钼的含量，进一步提高了耐腐蚀性。所述合金通过氮气雾化预合金粉末颗粒的热等静压成型制造。通过 氮气雾化预合金粉末颗粒的热等静压成型可获得均质微结构和组成，这 对于合金的加工特性至关重要，并且可在较大的横截面上获得均一特性。 所述微结构和特性使得本专利技术的合金特别适用作制造暴露于严酷的磨损 和腐蚀条件(诸如在塑料注射成型工业、食品工业的条件等)下的机械 部件的材料并且用于高级轴承用途。为使本专利技术的合金获得所期望的耐磨性和耐腐蚀性组合，必须在所 要求的范围内含有铬以及铌、钼和钒。具体而言，铌的含量在所要求的范围内时，溶解在MC初生碳化物中的铬的量减少，从而增加了基体中的"游离"铬的量。铌阻碍了富含铬的碳化物的形成，使得更大部分的 铬保留在基体中，以使合金获得所期望的耐腐蚀性。因此，在所要求的 限定范围内平衡铬、铌和钒的含量，使得过量的铬(超过与碳结合形成碳 化物的量)保留在基体中以提供所期望的耐腐蚀性。加入钒和铌以直接获 得耐磨性并间接改善耐腐蚀性。已经发现，通过添加铌可改善本专利技术的高铬、高钒粉末冶金马氏体 不锈钢合金的耐磨性、耐腐蚀性和硬度间的平衡。本专利技术的合金具有独 特的耐腐蚀性和耐磨性组合，这是通过平衡其总体化学组成以及选择合 适的热处理而实现的。已发现添加铌将降低铬在(富含钒-铌的)MC初生碳化物中的溶解度， 从而增加了在马氏体基体中"游离"铬的量。此外，热动力学计算已显 示，与类似的富含钒的MC初生碳化物的碳亚晶格相比，在本专利技术的合 金中所沉淀的富含钒-铌的MC初生碳化物的碳亚晶格具有更少的空隙(即含有更多的碳)它们分别为(V,Nb)Q).83和VQ).79。因此，对于本专利技术的合金，需要较多的碳以沉淀富含钒-铌的碳化物，从而，可供沉淀富含 铬的碳化物的碳较少。为获得所期望的耐磨性和耐腐蚀性的组合以及良好的机械性能(如 弯曲断裂强度、韧度和可磨削性)，本专利技术的合金通过氮气雾化来制造， 以获得预合金的粉末颗粒。可在容器中对所述预合金粉末颗粒施加热等 静压以进一步加工为棒形，或者可对所述粉末进行HIP/金属包层以形成近净形(near-net-shape)零件。本专利技术提供通过氮气雾化预合金粉末颗粒的热等静压成型制造的耐 腐蚀耐磨合金，所述粉末颗粒在以下组成限定的范围内，以重量百分比 为计碳，2.0 3.5，优选为2.3 3.2，更优选为2.7 3.0;硅，至多1.0， 优选为至多0.9，更优选为至多0.70;锰，至多1.0，优选为至多0.8，更 优选为至多0.50;铬，12.5 18.0，优选为13.0 16.5，更优选为13.5 14.5;钼，2.0 5.0，优选为2.5 4.5，更优选为3.0 4.0;钒，6.0 11.0， 优选为7.0 10.5，更优选为8.5 9.5;铌，2.6 6.0，优选为2.8 5.0， 更优选为3.0 4.0;钴，1.5 5.0，优选为1.5 4.0，更优选为2.0 3.0; 氮，0.11 0.30，优选为0.11 0.25，更优选为0.U 0.20;以及余量的 铁和伴随杂质。为获得所期望的耐腐蚀性，需要根据以下等式用铬、钼、铌、钒和 氮对碳进行平衡Cmin=0.4+0.099x(%Cr-ll)+0.063x%Mo+0.177x%V+0.13x%Nb-0.85x%N(等式1)Cmax=0.6+0.099x(%Cr-ll)+0.063x%Mo+0.177x%V+0.13x%Nb-0.85x%N(等式2)其中Cmin， Cmax-分别是合金的最小和最大的碳含量(重量％); %Cr、 ％Mo、 ％V、 ％Nb、 ％N-分别为铬、钼、钒、铌和氮的合金 含量(重量％)。所述合金在较低的回火温度即500°F 750°F回火后，在l%NaCl水 溶液中测量的点蚀电位至少为250 mV，在较高回火温度即975。F 1025。F 回火后，该点蚀电位高于-100mV。附图说明图1显示从2150°F油淬以及在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐腐蚀耐磨工具钢合金，所述耐腐蚀耐磨工具钢合金是通过氮气雾化预合金粉末颗粒的热等静压成型制造的，以重量百分数计，所述氮气雾化预合金粉末颗粒基本组成如下：Ｃ：２．０～３．５；Ｓｉ：最多１．０；Ｍｎ：最多１．０；Ｃｒ：１２．５～１８．０；Ｍｏ：２．０～５．０；Ｖ：６．０～１１．０；Ｎｂ：２．６～６．０；Ｃｏ：１．５～５．０；Ｎ：０．１１－０．３０；以及余量基本为铁和伴随杂质。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿洛伊兹卡季尼克，安杰伊L沃伊切茨斯基，玛丽亚K沙沃德，
申请(专利权)人：科卢斯博材料有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]