耐腐蚀且耐磨损的合金制造技术

本发明专利技术提供一种粉末冶金的耐腐蚀且耐磨损的工具钢制品及其合金。该制品是通过对氮气雾化的预合金的高铬、高钒、高铌粉末颗粒进行热等静压成型而制得。该合金的特征为耐磨损腐蚀性很高，这使其特别适合用于制造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等中所经历的条件）下的用于高级轴承配置中的零件以及机械部件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及粉末冶金耐腐蚀且耐磨损的工具钢合金制品，该制品通过对氮气雾化预合金的高铬、高钒、高铌粉末颗粒进行热等静压成型而制得。本专利技术的制品的合金的特征为耐磨损性和耐腐蚀性非常高，这使其特别适合用作制造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等中所经历的条件)下的用于高级轴承配置中的零件以及机械部件的材料。
技术介绍
为了令人满意地运行，用于许多苛刻用途(例如塑料注射成型工业中的螺杆和机筒)的合金必须对磨损和腐蚀具有耐受性。工业上的工艺参数(例如温度与压力)存在增加的趋势，这使得对合金及其良好地承受被加工原料的腐蚀和磨损的能力的要求不断提高。此外，这些原料的腐蚀性和磨损性也在不断地增加。工具钢的耐磨损性取决于初生碳化物的用量、类型和粒度分布，以及总体硬度。由于初级合金碳化物的硬度很高，它们的主要功能是提供耐磨损性。工具钢中常见的所有类型的初生碳化物之中，富钒和富钒-铌MC初生碳化物具有最高的硬度。工具钢的耐腐蚀性主要取决于基体中“游离”铬的量，即没有“束缚”在碳化物内的铬的量。对于良好的耐腐蚀性，淬透的工具钢必须在热处理后的马氏体基体中包含至少约12重量％的“游离”铬。然而，耐腐蚀且耐磨损的工具钢还必须包含较高水平的碳，以用于热处理响应。因为铬对于用来形成富铬的碳化物的碳具有高亲和力，耐腐蚀且耐磨损的工具钢必须包含过量的铬。通过在马氏体基体中存在钼，可进一步改善工具钢的耐腐蚀性。在马氏体基体中包含约10重量％的“游离”铬的一些工具钢之所以具有耐腐蚀性是因为它们还包含足够量的“游离”钼。一个实例是Crucible 154CM级，其基于Fe-1.05C-14Cr-4Mo体系。为了承受操作期间施加的应力，工具钢还必须具有足够的机械性能，例如硬度、弯曲断裂强度和刚性。此外，工具钢必须具有足够的热加工性，以及机械加工性和可磨削性，以保证可以生产具有所需形状和尺寸的部件。通常，初生碳化物的体积分数越高，工具钢的耐磨损性越高，其刚性和热加工性越低。目前使用的耐腐蚀且耐磨损的马氏体工具钢包括例如CPM S90V、M390、Elmax、Anval 10V-12、HTM X235等级别。尽管这些合金中的一些合金的铬的总量高达20重量％(例如M390)，但其耐腐蚀性不一定达到预期水平。取决于总化学组成和热处理参数，大量的作为碳化物的强形成物的铬会脱离基体而被束缚至富铬的碳化物之内。所述的受束缚的铬对耐腐蚀性没有帮助。已经用于改善例如CPM S90V的耐腐蚀性和耐磨损性组合的一个实践是添加钒。该合金加合物形成硬的富钒MC初生碳化物并束缚了一部分碳。因为钒对碳的亲和力高于铬对碳的亲和力，所以在其他条件相同的情况下(即，例如铬和碳的总含量、热处理参数)，工具钢中存在钒会降低富铬初生碳化物的量。本专利技术的合金中，除了钒以外，还使用铌来进一步增加MC初生碳化物的量，继而降低富铬初生碳化物的量，这是因为铌对碳的亲和力甚至高于钒对碳的亲和力。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供耐磨损腐蚀的高铬、高钒、高铌的粉末冶金工具钢制品，该制品具有明显改善的耐腐蚀性和耐磨损性。已经发现通过添加铌，可使本专利技术的高铬、高钒的粉末冶金马氏体不锈钢制品的耐磨损性、耐腐蚀性和硬度之间的平衡得到改善。本专利技术合金制品具有独特的耐腐蚀性和耐磨损性组合，该性能组合是通过使总化学组成取得平衡以及选择合适的热处理而获得的。已经发现铌的添加可降低铬在富钒-铌MC初生碳化物中的溶解性，继而会增加马氏体基体中“游离”铬的量。根据热力学计算，与可比较的富钒MC初生碳化物的碳亚晶格相比，本专利技术的合金中所沉淀的富钒-铌MC初生碳化物的碳亚晶格具有较少的空隙(V，Nb)C0.83相对于VC0.79。已经发现本专利技术的合金中存在铌还会降低溶解在MC初生碳化物中的铬的量。这又会增加基体中“游离”铬的量，从而进一步改善耐腐蚀性。用于本专利技术的合金的主要合金元素(铬、钼、钒和铌)是铁素体稳定化元素。高量的这些铁素体稳定化元素会导致热处理过的微观结构中出现铁素体。然而，已经发现，使约2重量％钴存在于本专利技术的合金化体系是用以消除热处理过的微观结构中的铁素体的充要措施。最后，为了得到所需的耐磨损性和耐腐蚀性组合以及良好的机械性能(例如弯曲断裂强度、刚性和可磨削性)，必须严格地控制气雾化过程(以得到细小的球形粉末)和本领域中已知的预合金粉末的热等静压参数。优选在2150(±25)的温度和至少14.5ksi(千磅/平方英寸)的压力下对本专利技术的合金进行热等静压。根据本专利技术，提供了一种耐腐蚀且耐磨损的制品，该制品是通过对氮气雾化的下列组成范围内的预合金粉末颗粒进行热等静压合成而制得，以重量百分数来计，该组成范围为碳为2.0至3.5，优选2.7至3.0；硅至多为1.0；铬为12.0至16.0，优选13.5至14.5；钼为2.0至5.0，优选3.0至4.0；钒为6.0至11.0，优选8.5至9.5；铌为2.0至6.0，优选3.0至4.0；钴为1.5至5.0，优选2.0至3.0；氮为0.05至0.30，优选0.10至0.20；并且余量为铁和附带的杂质。优选根据下式以铬、钼、钒和氮来平衡碳Cmin＝0.4+0.099×(％Cr-11)+0.063×％Mo+0.177×％V+0.13×％Nb-0.85×％NCmax＝0.6+0.099×(％Cr-11)+0.063×％Mo+0.177×％V+0.13×％Nb-0.85×％N 附图说明图1显示了Fe-C-Cr-Mo-V-Nb-N体系在Cr为14重量％、Mo为3.5重量％、V为9重量％、Nb为3.5重量％且N为0.13重量％处的垂直剖面；图2是Fe-C-Cr-Mo-V-Nb-Co-N体系在Cr为14重量％、Mo为3.5重量％、V为9重量％、Nb为3.5重量％、Co为2重量％且N为0.13重量％处的垂直剖面；图3展示了本专利技术的合金(04-099)在油中自2150起淬火并在975的温度下回火2小时+2小时+2小时后的经侵蚀的微观结构(放大1500倍)，其中使用Vilella氏试剂侵蚀90秒钟；和图4展示了不含钴的淬火合金(04-100)的经侵蚀的微观结构(放大1500倍)，其中，将本专利技术的合金(04-100)在油中自2150起淬火并在975的温度下回火2小时+2小时+2小时后，使用Vilella氏试剂侵蚀90秒钟。注意到基体中存在铁素体。具体实施例方式化学组成测试表1给出了经实验检验的化学组成，这些化学组成使得本专利技术的合金制品获得改善的耐腐蚀性和耐磨损性组合。所报道的合金03-192至04-099是根据本专利技术所得到的合金。所有经检验的复合物使用Crucible Particle Metallurgy(CPM)技术制得。使所给出的不同化学组成的各等级的预合金工具钢在氮气氛中熔融，用氮气雾化，并在2150温度和14.5ksi压力下进行四小时的热等静压(HIP)。耐磨损腐蚀的工具钢中涉及的各种合金元素满足如下条件。碳的存在量至少为2.0％，尽管碳的最大含量可以等于3.5％，并优选为2.7％-3.0％。重要的是仔细控制碳量，以获得所需的耐腐蚀性和耐磨损性组合，以及避免热处理期间形成铁素体或不适当的大量残余奥氏体。本专利技术的制品中的碳可以优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐腐蚀且耐磨损的工具钢制品，该制品是通过对氮气雾化的预合金粉末颗粒进行热等静压成型而制得的，以重量百分数计，所述粉末颗粒基本上由以下物质组成：Ｃ：２．０－３．５；Ｓｉ：至多为１．０；Ｍｎ：至多为１．０；Ｃｒ：１２．０－１６．０；Ｍｏ：２．０－５．０；Ｖ：６．０－１１．０；Ｎｂ：２．０－６．０；Ｃｏ：１．５－５．０；Ｎ：０．０５－０．３０；并且余量基本上是铁和附带的杂质。

【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]