工具钢及通过喷雾成形快速加工的方法技术

一系列用于喷雾形成压模嵌入件的工具钢，含有铁（Ｆｅ），碳（Ｃ），硅（Ｓｉ），锰（Ｍｎ），铬（Ｃｒ），钼（Ｍｏ）和钒（Ｖ），特征在于钒含量超过１．４ｗｔ％。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一系列用于喷雾形成压模嵌入件的工具钢及喷雾形成压模嵌入件的相应方法。许多大规模制造的部件，从手机部件到汽车零件均使用金属模具或压模，通过压模浇铸，压模落锻，和注入模制等过程制造。通常，压模及压模嵌入件使用特殊的工具用大块的煅造工具钢制造。由于需求量大而外形复杂，压模的生产及其耗时且成本高昂。喷雾成形是一种快速的固化过程。其中金属熔融物被惰性气体雾化为尺寸在10至200微米范围内的液滴，并以超音速飞至沉积基质上。冷却速率为每秒100至100,000度。结果是，喷雾形成的材料与传统方法制备者相比没有严重偏析并具有更细，更均匀且大小更为一致的颗粒结构。喷雾形成的钢与公认的目前可得的钢材中具有最高质量的粉末冶金处理的钢具有相似的微结构和机械特性，而费用和交货时间由于只有将熔融金属直接转化为半成品的单一操作步骤而得到显著降低。OspreyTM工艺代表喷雾成形技术中主要发展之一。它目前用于制备预制件如钢坯，镀层轧和管，而且还被发展用于生产板和环状的类网状物体。已经发现标准的高温作业工具钢特别难于用喷雾形成而不出现孔隙。过程参数如金属/气体流动速率，喷雾高度，和基质的移动对喷雾的牢固性具有很大影响。最佳过程窗口很窄。如果过程参数导致稍微过冷的喷雾，就会形成层状的孔隙。如果喷雾温度稍微过热，会形成液体收缩形成的更大的孔。附图说明图1显示喷雾形成的标准AISI H13钢压模嵌入件的孔隙问题。喷雾成形参数被最优化，但参数中一些无法控制的变量造成孔道的形成及层状孔隙到液体收缩孔的转变，有时甚至产生大孔的热缺陷。本专利技术主题是消除上述缺点。本专利技术一个特别的主题是公开一种技术和经济上可行的，喷雾形成高质量压模嵌入件的方法，所形成压模嵌入件用于不同生产方法，特别是针对在压模上施加高热和机械应力的要求苛刻的工艺，如压铸和热模锻。本专利技术另外的主题是公开一个新系列的热工钢，其与传统钢材相比在消除压模嵌入件孔隙的加工性质方面更为优越。本专利技术另外一个主题是公开一种可以使压模嵌入件具有精细且均匀的微观结构的方法。本专利技术还有另外一个主题，是通过提高碳化钒的量改善热工钢的耐磨性而不明显削弱其韧性，这源于喷雾形成的精细且均匀的微观结构。对于本专利技术的特有特征，可参考权利要求。如图1所示，大孔具有光滑且圆的外观。怀疑可能发生了气体沉积。由于钒是可在高温下形成碳化物的元素且VC在接近液化的温度下形成，吃惊地发现碳化钒会加强这一通常为半固体状态的沉积，从而抵消了气孔的形成。因此一系列根据本专利技术用于喷雾形成压模嵌入件的工具钢含有铁(Fe)，碳(C)，硅(Si)，锰(Mn)，铬(Cr)，钼(Mo)和钒(V)。根据本专利技术钒含量超过1.4wt％。测试结果证实了这一新专利技术，见图2。这一钢合金含有C 0.35％，Si0.80％，Mn 0.49％，Cr 4.91％，Mo 1.48％，和V 2.71％。这一由上述具有更高钒含量的钢喷雾形成的压模嵌入件完全没有可见的内部孔。形成了镜面且中间及邻近陶瓷模具的工具表面区域没有可见的微孔。有利的钒含量根据各自特定的情况在如下范围中选择1.4-3.5wt％。在本专利技术另一个实施方案中碳含量至少为0.35wt％。同样有利的碳含量根据各自特定的情况在如下范围中选择0.35-0.9wt％。在一个喷雾形成压模嵌入件的方法中，熔融的工具钢被雾化并喷雾到雾化器之下的陶瓷模具上。钢中含有铁(Fe)，碳(C)，硅(Si)，锰(Mn)，铬(Cr)，钼(Mo)和钒(V)，钒含量至少为1.4wt％。根据本专利技术盘状陶瓷模具在雾化器之下旋转，且模具的旋转轴从喷雾方向倾斜至沉积角度。沉积角度为1至50°，取决于模具的形状特征。本专利技术方法中可能使用OspreyTM喷雾成形机以制造具有复杂形状的压模嵌入件或工具，成形机的加工面可直接进行大规模的生产应用或在需要时通过研磨和/或磨光进行辅助的抛光。但是，还可能使用其他类型的基于熔融雾化的喷雾成形机。有利的喷雾熔融金属作为两束彼此分离的喷雾束喷雾到陶瓷模具上。在另一个实施方案中所述两束喷雾对称地位于模具旋转轴的两侧。图3中圆盘形状的陶瓷模具1放置在开口漏斗2之下，漏斗底部有金属喷嘴3，喷嘴突入2段自由落体氮气雾化器4，和氮密封的喷雾仓。在喷雾仓中主要为水平的圆盘形状沉积基质，即陶瓷模具1在旋转。模具的旋转轴从垂直的喷雾方向倾斜至沉积角度，这根据各种情况分别选择。这一模具的倾斜是为了解决在垂直壁上的柱状孔隙。但是这一方法仅在如下情况下可以解决问题，即模具仅在外侧或中心具有垂直壁因而垂直壁不会象图3中所示的那样会面向两个径向。这不可避免地会导致孔隙5。这一阴影中邻近其他垂直壁的孔隙可通过使用图4所示双雾化器喷雾成形得以解决。图4中圆盘形状的陶瓷模具1放置在开口漏斗2之下，漏斗底部有金属喷嘴3，喷嘴突入2段自由落体氮气雾化器4，和氮密封的喷雾仓，喷嘴3彼此分离地放置以使模具的旋转轴在喷嘴下方之间的位置。在喷雾仓中主要为水平的圆盘形状沉积基质，即陶瓷模具1在旋转。模具的旋转轴从垂直的喷雾方向倾斜至约30°沉积角度。参考图4可清楚地看出，任何模具垂直面上的孔隙问题完全得到避免。与先有技术相比本专利技术钢材和方法具有明显的优点。本专利技术钢材含有高达3.5％的钒。这一与传统热工钢相比更高的钒含量是在圆盘形状喷雾沉积中避免大孔形成的有效方法。新的钢材不仅具有好的喷雾成形牢固性，还可具有简化的热处理，及与传统热工钢相比更好的耐磨性，这产生更长的使用寿命。小且简单的压模嵌入件可用单一雾化器制造(单束喷雾)。对于更大和/或更复杂的嵌入件，它具有面向基质模具径向的高的垂直外壁，为得到适合的牢固程度需要使用双雾化器(分离的两束喷雾)。通过将熔融合金直接转变为网状压模嵌入件可得到显著的成本优势。与传统的在铁锭上加工的工艺相比加工费用降低了30-50％。压模生产的交货期可从数月缩短至数周。多数情况下，嵌入件可在5至8天内制成。如果连续加工则会更快而且费用明显更低。尺寸精度可达到100-200mm之中+/-0.05mm。表面抛光可满足多数热模锻和压铸的要求。压模嵌入件的寿命预计将会更长，这源于喷雾成形工艺在冶金学上的好处以及本专利技术的钢材等级。潜在的应用包括几乎所有的大规模生产的部件，如拉模铸造，注模，锻造，挤出，冲压，吹铸，等。专利技术人已经将该新的而且是创造性的方法命名为PSF工艺，即精确喷雾成形工艺。上文中，参考附图对本专利技术进行了详细描述，与此同时在权利要求定义的范围之内本专利技术还可能有各种不同的实施方案。权利要求1.一系列用于喷雾形成压模嵌入件的工具钢，含有铁(Fe)，碳(C)，硅(Si)，锰(Mn)，铬(Cr)，钼(Mo)和钒(V)，特征在于钒含量超过1.4wt％。2.根据权利要求1的一系列工具钢，其特征在于钒含量根据各自特定的情况在如下范围中选择1.4-3.5wt％。3.根据权利要求1或2的一系列工具钢，其特征在于碳含量至少为0.35wt％。4.根据权利要求3的一系列工具钢，其特征在于碳含量根据各自特定的情况在如下范围中选择0.35-0.9wt％。5.喷雾形成压模嵌入件的方法，其中熔融的根据权利要求1-4任一项的工具钢或熔融的金属合金被雾化并喷雾到雾化器之下的陶瓷模具上，其特征在于陶瓷模具在雾化器之下旋转且模具的旋转轴从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·杨，
申请(专利权)人：芬兰技术研究中心，
类型：发明
国别省市：