具有高热稳定性的PM高速钢制造技术

本发明专利技术涉及一种利用粉末冶金技术制备的高速钢物件，优选用于高速切削特别是轻金属及轻金属合金的切削工具。为提高热稳定性和韧性以及降低磨损，特别是切削工具的上述性能，按本发明专利技术规定，ＰＭ物件具有与按ＤＩＮ５０６０２测试的值Ｋ０最高为３相应的高纯度以及以重量％计的下列化学组成：Ｃ　　１．５１至２．５；Ｓｉ　至０．８；Ｍｎ　至１．５；Ｃｒ　３．５至４．５；Ｗ　　１３．３至１５．３；Ｍｏ　２．０至３．０；Ｖ　　４．５至６．９；Ｃｏ　１０．０５至１２．０；Ｓ　　至０．５２；Ｎ　　至０．２；Ｏ　　最多１００ｐｐｍ。具有值：锰减去硫（Ｍｎ－Ｓ）最少为０．１９，其余为铁和制备所引起的杂质和伴生元素，前提条件是，钨与钼的浓度比在５．２至６．５之间，钴的含量最高为钨＋钼的值的７０％。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有高拉热强度和韧性的高速钢物件，其利用粉末冶金技术，通过使用氮气将液态合金金属流分散为金属粉末，并在高温，多维压力下将粉末密实来制备，并任选地加以热变形。高性能高速钢包括含有约0.8-1.0重量％碳，14-18重量％钨，约4.5重量％铬，最多2重量％钼，至少1.2-1.5重量％钼，至少1.2-1.5重量％钒以及3-20重量％钴，其余为铁的合金。这种高速钢达到的高性能的原因在于易生成碳化物的元素钒，钨，钼和铬与通过基体材料或基质起作用的元素钴的协同作用。除了钨和钼，钒特别适于将合金调节至具有最高约600℃的高回火稳定性。在同时具有高含量碳和高含量钒的条件下，也生成大量钒碳化物，由此导致材料的特别的耐磨强度。因此，尤其精加工工具用具有提高含量的碳和钒的高速钢来制备。但是，在用铸模中凝固的熔体冶金或熔体技术上，用化学组成为1.3-1.5重量％C，约13重量％W，4重量％Cr，1重量％Mo，8-12重量％Co和约4.5重量％V，其余为铁的合金好象实现了经济的可制备性，但这里，这种材料已经因为高碳化物含量和凝固结构而复杂化，得用降低了的窄锻造温度来变形，在热调质状态下具有很小的韧性值，尤其是纸的冲击弯曲韧性。为了一方面可以鉴于提高碳化物比例并借此提高材料的耐磨损性能而进一步提高碳含量和生成碳化物的元素的浓度，但另一方面为了实现足够的可加工性和由此制备的物件的均匀度，利用粉末冶金技术制备这种合金零件是有利的。粉末冶金制备基本上包括将钢熔体喷为金属粉末，将金属粉末引入套中并在套中密实，封闭套，加热，热均衡地压缩套中的粉末，得到密实均匀的材料。这种PM材料可以直接在相应的热处理后用于制备物件或预先经过热变形，例如通过锻造。对于为了经济地加工零件高要求的高速钢物件，特别是具有高的寿命的切削工具，要求一种复杂的高的性能分布。本专利技术的任务是，制备一种高速钢物件，优选那些用于高性能切削工具的高速钢物件，其具有高的氧化物纯度，借此具有很低的引发裂纹的可能性以及提高的切削边缘的锐度，此高速钢物件还在适当的韧性下具有高硬度，在材料的热调质状态下具有高耐磨损性以及改善的热硬度或高的热稳定性。本专利技术的另一个目的是，提供高速钢物件用作在不添加润滑剂条件下高速切削材料，特别是切削加工轻金属及其合金的工具。按本专利技术的任务通过开始提到的那种高速钢物件得以实现，此物件具有与根据DIN50602测试的值K0最高为3相应的非金属夹杂物的含量和形态的高纯度，以及下面的化学组成，以重量％计，碳(C) 1.51至2.5硅(Si) 至0.8锰(Mn) 至1.5铬(Cr) 3.5至4.5钨(W) 13.3至15.3钼(Mo) 2.0至3.0钒(V) 4.5至6.9钴(Co) 10.05至12.0硫(S) 至0.52氮(N) 至0.3氧(O) 最多100ppm具有值锰减去硫(Mn-S)至少为0.19，其余为铁和制备所引起的杂质和伴生元素，前提条件是，钨与钼的浓度比在5.2至6.5之间，钴的含量最高为钨+钼之值的70％。用按本专利技术的物件实现的优点被看作是改善材料性能方面的总和效应，正如生动的描述中，一个链只具有其最薄弱环节的负荷能力。氧化物夹杂物是大部分有棱角结构的缺陷，如已发现的，从临界的尺寸开始成为在调质至高硬度的材料中在可能变换的应力状态下的裂纹的起点。因为在具有高的热硬度或热稳定性的基体中，裂纹引发通过材料中的粗大氧化物超比例增多，但是如已表明的，具有很小的直径和很小的纵向长度的夹杂物却起很小的作用，按本专利技术根据DIN50602方法测试非金属夹杂物中最高为3的累积参数K0被认为非常重要。按本专利技术合金突出的性能分布由元素间以其各自的活性相互作用协同产生。这里，重要的是，在高速钢中元素碳，铬，钨，钼，钒和钴的浓度值在很窄的范围内，含氧量不超过一个最高值。含碳量鉴于元素钨，钼和钒与其的高亲和性而确定。上述合金金属生成稳定的一次碳化物，但二次硬质碳化物也按相互作用和各自的活性贮入基体混合晶体中。如果碳浓度超过2.5重量％，高速钢材料显著变脆，会导致物件，例如切削工具的不可使用。低于1.51重量％的含量减少了碳化物比例，并减小了材料的十分重要的耐磨损性能。按本专利技术，合金的碳含量为1.51-2.5重量％。最高值为4.5重量％的铬浓度基于这样的原因，因为较高的含量导致基体中这样的铬比例，其在硬度上稳定地作用于剩余含量的奥氏体。最低值3.5重量％的铬通过混合晶体中合金原子的嵌入而达到混合晶体希望的增强作用，以致于按本专利技术材料中的含量范围设定为3.5-4.5重量％。钨和钼具有高的亲碳性，快速生成同类碳化物，根据学术界多方支持的观点，基于各自的原子量可按质量含量2∶1进行交换。惊奇地发现，这种可交换性并不完全地出现，而是可以通过这些合金元素各自的活性，调控混合碳化物的生成和混合晶体中元素的组成，对此在讨论高速钢的热稳定性时还要作进一步探讨。钒是最强的单碳化合物生成组分之一，其碳化物的特征是高的硬度，并赋予材料的特别的耐磨损性能。这种耐磨损性能可以通过形成细小的、基本上均匀分布的单碳化物，如其通过粉末冶金制备材料产生的那样，加以促进。特别是钒但还有元素钨和钼在高温下部分溶解，这在将物件强行冷却后，通过回火处理析出极细分布的富含钒的二次碳化物，产生重要的二次硬度潜能，对材料的热稳定性具有有利的作用。含量高于6.9重量％的钒或者引起合金中较高的碳含量，由此使合金脆化，或者引起基体强度的贫化和减小，特别是基体的热稳定性的减小。低于4.5重量％的钒浓度导致调质零件的耐磨损性能严重劣化。钴在高速钢中是不生成碳化物的元素，但是增强了基体，大大促进物件的耐热性能。高于12.0重量％的高含量钴在所述的高速钢中使材料的基体脆化，反之，低于10.05重量％的浓度在高温下明显减小基体硬度。按本专利技术设定范围10.05-12.0重量％的钴基于高的扩散系数，在硬化零件的回火中因为增强了晶核的生成，使扩散过程变得容易化，并由此二次碳化物析出物以大的数目和量精细分布地生成，此外只缓慢地粗化，有利于基体强度，特别是高温下的基体强度。精细的二次碳化物，其赋予调质状态下的材料以高的硬度和强度，通过高的使用温度下的扩散过程而长大即其实现了聚集。通过合金中和证明一致地在二次碳化物中的高的钨含量产生由于钨原子的尺寸而相对元素钼和钒来说较小的扩散系数，以致于引起体系在高温下实质上的缓慢粗化，稳定化，如已发现的，对于混合碳化物也是如此。按本专利技术在13.3-15.3重量％的钨比例在上述含量的其它易生成碳化物的元素的条件下确保高温下二次硬质碳化物的粗化倾向很小，并因此长时间碳化物粒子间距很小，这使得基体晶格中的移动受阻，材料的软化延迟。这种材料还在高的热负荷下更长时间较硬，也即具有高的热稳定性。钼在反应动力学或混合碳化物生成方面具有重要的意义，其中按本专利技术有效的是含量调节至2.0-3.0。最高含量为100ppm的氧是根据要求的材料的非金属夹杂物的数量和材料的性能分布而设定。对于调质材料的高的热稳定性具有重要意义的是钨和钼的浓度比以及取决于这些元素的钴浓度。当钨和钼含量的比值为5.2至6.5时，高温下二次碳化物粒子粗化的速度以及由此产生材料的硬度降低最小，其中低于70％的钴含量本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有高的热稳定性和韧性的高速钢物件，其利用粉末冶金技术，通过用氮气将液态合金金属流分散为金属粉末，并在高温，多维压力下将粉末密实制备，并且任选地被热变形，特别是切削工具，该物件具有与根据ＤＩＮ５０６０２测试的值Ｋ０最高为３相应的非金属夹杂物的含量和形态的高纯度以及下列化学组成，以重量％计， 碳（Ｃ） １．５１至２．５ 硅（Ｓｉ） 至０．８ 锰（Ｍｎ） 至１．５ 铬（Ｃｒ） ３．５至４．５ 钨（Ｗ） １３．３至１５．３ 钼（Ｍｏ） ２．０至３．０ 钒（Ｖ） ４．５至６．９ 钴（Ｃｏ） １０．０５至１２．０ 硫（Ｓ） 至０．５２ 氮（Ｎ） 至０．２ 氧（Ｏ） 最多１００ｐｐｍ 具有值：锰减去硫（Ｍｎ－Ｓ）最少为０．１９，其余为铁，制备所引起的杂质和伴生元素，前提条件是，钨与钼的浓度比在５．２至６．５之间，钴的含量最高为钨＋钼的值的７０％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：I麦利，R拉毕斯彻，W列布法赫特，
申请(专利权)人：博哈里尔特种钢有限公司，
类型：发明
国别省市：AT[奥地利]