專(zhuān)利名稱(chēng)：具有出色的韌性和熱導(dǎo)率的熱加工工具鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱加工工具鋼，其具有非常高的熱導(dǎo)率和低缺口敏感性，提供出色的對(duì)熱疲勞和熱沖擊的耐受性。該鋼還表現(xiàn)出非常高的淬透性。概述很多生產(chǎn)過(guò)程所使用的熱加工工具鋼經(jīng)常經(jīng)受高熱-機(jī)械負(fù)荷。這些負(fù)荷經(jīng)常導(dǎo)致熱沖擊或熱疲勞。對(duì)于這些工具的大部分，主要的損傷機(jī)制包括熱疲勞和/或熱沖擊，通常與一些其它的退化機(jī)制相結(jié)合，最相關(guān)的有，如機(jī)械疲勞、磨損(磨料、粘結(jié)劑、腐蝕或者甚至空化)、斷裂、凹陷或其它方式的塑性變形。在除上面提到的工具之外的很多其它應(yīng)用中，所使用的材料也需要高耐熱疲勞性，通常還結(jié)合有對(duì)于其它損傷機(jī)制的耐受性。熱沖擊和熱疲勞在很多沒(méi)有實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳導(dǎo)狀態(tài)的應(yīng)用中由于暴露時(shí)間短或有限能量來(lái)源量導(dǎo)致溫度衰減而產(chǎn)生的熱梯度而引起，工具材料中熱梯度的大小也是其熱導(dǎo)率的函數(shù)(反比例關(guān)系適用于畢奧數(shù)足夠小的所有情況)。在這種情況下，對(duì)于帶有給定熱通量密度的給定應(yīng)用，帶有更高熱導(dǎo)率的材料經(jīng)受更低的表面負(fù)荷，因?yàn)樗a(chǎn)生的熱梯度更低。傳統(tǒng)上對(duì)于熱疲勞是主要損傷機(jī)制的很多應(yīng)用，如在高壓模鑄的很多情況下，為了評(píng)價(jià)不同的工具材料最廣泛使用的韌性測(cè)試是V形缺口樣品彈性試驗(yàn)(CVN-卻貝V形缺口)。也可以使用其它測(cè)量方法，并且其對(duì)于一些應(yīng)用甚至是更具代表性的，如斷裂韌性或屈服變形，斷裂變形等?？梢詫⒃摐y(cè)量與相關(guān)于機(jī)械耐受性的測(cè)量(如屈服應(yīng)力、機(jī)械耐受性或疲勞極限)、相關(guān)于磨損的測(cè)量(通常為在一些摩擦測(cè)試中的K重量損失)一起用作材料性能的指標(biāo)，以用于在不同工具候選材料之間比較的目的。因此對(duì)于給定的應(yīng)用比較不同材料的理論耐受性的鋼材優(yōu)質(zhì)值可以是Me. Nr = CVN · k/ (Ε · α )其中CVN-卻貝V形缺口k-熱導(dǎo)率E-彈性模量α-熱膨脹系數(shù)在大部分科技文獻(xiàn)中用加工溫度下的Kre、耐機(jī)械疲勞性或者屈服強(qiáng)度代替CVN術(shù)語(yǔ)。但是上面給出的鋼材優(yōu)質(zhì)值的實(shí)例，被業(yè)界專(zhuān)家認(rèn)為是其中最直觀(guān)的之一。那么顯然為了提高耐熱疲勞性，應(yīng)該努力同時(shí)提高熱導(dǎo)率、韌性并降低彈性模量和熱膨脹系數(shù)。對(duì)于很多應(yīng)用，會(huì)使用較厚的工具，并且如果為了承受熱處理而需要足夠的機(jī)械耐受性，那么還需要好的淬透性。因?yàn)橄啾葞в谢鼗鹭愂象w微組織，帶有回火馬氏體微組織更容易獲得更高的韌性，因此淬透性對(duì)于熱加工工具鋼也是非常有意義的。因此帶有更高的淬透性所需要的淬硬冷卻的劇烈程度就越低。劇烈的冷卻是更困難的，并且因此實(shí)現(xiàn)劇烈冷卻是昂貴的，并且因?yàn)樗鶚?gòu)造的工具和部件的形狀通常是復(fù)雜的，劇烈冷卻會(huì)導(dǎo)致熱處理部件的開(kāi)裂。
耐磨性和機(jī)械耐受性通常與韌性成反比。所以在耐磨性和耐熱疲勞性上同時(shí)實(shí)現(xiàn)提高并不簡(jiǎn)單。熱導(dǎo)率通過(guò)使得能夠大幅增加耐熱疲勞性從而對(duì)這方面有所幫助，即使會(huì)稍微降低CVN以增加耐磨性或機(jī)械耐受性。對(duì)于熱加工工具鋼，存在很多其它性質(zhì)(它們?nèi)绻皇潜仨毜囊彩撬Ｍ?，這些性質(zhì)不一定對(duì)于工具或部件壽命具有影響，而是會(huì)對(duì)其制造成本有影響，如一般的易于機(jī)械加工、可焊接性或可修補(bǔ)性、對(duì)于涂層所提供的支撐、成本等。在本發(fā)明中，開(kāi)發(fā)了一系列帶有提高的耐熱疲勞和熱沖擊性的工具材料，所述工具材料還可以結(jié)合有更好的機(jī)械破裂或磨損耐受性。那些鋼相對(duì)于其它現(xiàn)有帶有高熱導(dǎo)率的高機(jī)械特性工具鋼(W0/2008/017341)還表現(xiàn)出提高了的淬透性和CVN。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)應(yīng)用特定組成規(guī)則以及在以下組成范圍內(nèi)的熱-機(jī)械處理， 可以解決同時(shí)獲得高熱導(dǎo)率、淬透性、韌性和機(jī)械特性的難題% Ceq = 0. 20-1. 2% C ==0. 20-1. 2% N ==0-1% B ==0-1
% Cr < 1, 5% Ni=1，0-9% Si< 0，4% Mn=0-
% Al = 0-2. 5% Mo=0-10% W ==0-15% Ti=0-
% Ta = 0-3% Zr=0-3% Hf=0-3，% V =0-4
% Nb = 0-3% Cu=0-4% Co=0-6，% S =0-1
% Se = 0-1% Te=0-1% Bi=0-1% As=0-
% Sb = 0-1% Ca=0-1，余量由鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，其中% Ceq = % C+0. 86*% N+1. 2*% B,其特征在于% Mo+1/2 · % W > 1, 2可以對(duì)％ Si和％ Cr進(jìn)一步限制，熱導(dǎo)率更好，但是該方案變得更昂貴(以及可能與特定應(yīng)用有關(guān)的一些性質(zhì)，并且從而對(duì)于那些應(yīng)用需要將它們維持，可能隨著那些元素降低至一定量以下而變差，例如，如果使用了太少的Al、Ti、Si (以及任意其它脫氧劑)，韌性由于所留下的氧化物夾雜物就是這樣，或者如果％ Cr或％ Si過(guò)低，某些耐腐蝕性的情況也是這樣)，因此，通常要在成本增加、韌性降低、耐腐蝕性或者其它與特定應(yīng)用相關(guān)的特性與更高熱導(dǎo)率的益處之間達(dá)成折中。僅當(dāng)％ Si和％ Cr的量低于0，時(shí)可以獲得最高的熱導(dǎo)率，并且如果低于0，05%，熱導(dǎo)率甚至更好。除了 ％C、%Μο, %Ψ、以外，所有其它元素的量需要盡可能的低(低于0，05在技術(shù)上對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用可以承擔(dān)的成本是可行的，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)低于0，1成本更低)。對(duì)于數(shù)個(gè)與韌性特別相關(guān)的應(yīng)用，必須采用較低的％ Si限制量(對(duì)于全部鐵脫氧元素的熱導(dǎo)率的害處較小)，并且因此放棄了一定熱導(dǎo)率，以便確保夾雜物的量不會(huì)過(guò)高。取決于所使用的％ C、％ Mo和％ W的量，淬透性可以是足夠的，尤其是在珠光體區(qū)中。為增加貝氏區(qū)中的淬透性，Ni是可以使用的最佳元素(除了上述之外，所需要的量也是某些其它合金元素的量如％ Cr、％Mn等的函數(shù))。為獲得所需的機(jī)械性能所使用的％ Mo、％ W和％ C的量必須彼此平衡以獲得高熱導(dǎo)率，以便留在基體內(nèi)的固溶體中的這些元素盡可能的少。以上這些也適用于所有可用于獲得特定摩擦響應(yīng)的其它碳化物構(gòu)成成分(如％ V、% Zr, % Hf, % Ta等)。在本文的全文中，術(shù)語(yǔ)碳化物是指初級(jí)和次級(jí)碳化物兩者。
通常，如果為了耐受機(jī)械凝固(solicitations)需要回火馬氏體或回火貝氏體微組織，遵守下列合金化規(guī)則(最小化固溶體中的％ C)適宜獲得高熱導(dǎo)率。如果使用強(qiáng)碳化物構(gòu)成成分(如Hf、Zr或Ta，并且甚至是Nb)，必須修正該式0，03 < xCeq-AC · [xMo/ (3 · AMo) +xff/ (3 · AW) +xV/AV] > 0，165其中xCeq-碳的重量％;xMo-鉬的重量％;xW_鎢的重量％;xV-釩的重量％;AC-碳原子質(zhì)量(12，0107u)；AMo-鉬原子質(zhì)量(95，94u)；Aff-鎢原子質(zhì)量(183，84u)；AV-釩原子質(zhì)量(50，9415u)。為了進(jìn)一步提高熱導(dǎo)率，更適宜的是0，05 < xCeq-AC · [xMo/ (3 · AMo) +xff/ (3 · AW) +xV/AV] > 0，158并且更優(yōu)選0，09 < xCeq-AC · [xMo/ (3 · AMo) +xff/ (3 · AW) +xV/AV] > 0，15為修正其它強(qiáng)碳化物構(gòu)成成分的存在，必須在該式中增加每種類(lèi)型的強(qiáng)碳化物構(gòu)成成分的額外的項(xiàng)-AOxM/ (R*AM)其中xM-碳化物構(gòu)成成分的重量％ ；AC-碳原子質(zhì)量(12，0107u)；R-按每單位碳化物計(jì)的碳化物構(gòu)成成分的單位數(shù)(即，如果碳化物類(lèi)型為MC,則為1，如果碳化物類(lèi)型為M23C7，則為23/7，...)。AM-碳化物構(gòu)成成分原子質(zhì)量(？？？ U);如果包括非金屬部分(％ C、％ B和％ N)的陶瓷加強(qiáng)粒子組成元素確實(shí)被驅(qū)動(dòng)變成碳化物(備選地氮化物、硼化物或介于其間的化合物)，該平衡提供出色的熱導(dǎo)率。因此必須施加適當(dāng)?shù)臒崽幚?。該熱處理將具有以下階段大部分元素進(jìn)入溶體(在足夠高的溫度下奧氏體化，一般高于1040°C并且通常高于1080°C )，之后將進(jìn)行淬火，其劇烈程度主要由所需的機(jī)械性能決定，但是應(yīng)該避免穩(wěn)定微組織，因?yàn)樗鼈儼瑤в写罅浚?C的相以及固溶體形式的碳化物構(gòu)成成分。亞穩(wěn)微組織本身甚至更糟，因?yàn)槲⒔M織中的由碳所引起的變形更大，并且從而熱導(dǎo)率更低，但是一旦當(dāng)碳化物構(gòu)成成分本身在所需位置的時(shí)候，這些亞穩(wěn)組織就松弛。所以在這種情況下回火馬氏體和回火貝氏體將是要尋求的微組織。一般地可以說(shuō)，因?yàn)閷?duì)于基體電子熱導(dǎo)率的影響過(guò)高，為追求特定性質(zhì)所使用的 Mn和Si含量越高，所使用的％ Ni應(yīng)該越低?？梢詫⑦@一點(diǎn)粗略地表示為% Ni+9*% Mn+5*% Si < 9或者當(dāng)可以將上限減少至8重量％時(shí)更好?？梢允褂每汕邢餍栽鰪?qiáng)劑如S、As、Te、Bi或者甚至是此。其中最常用的是硫，硫在通常用于增強(qiáng)可切削性的量上，對(duì)基體的熱導(dǎo)率具有相對(duì)低的負(fù)面影響，但是硫的存在必須與Mn的存在很好地平衡，以嘗試使其全部為對(duì)于韌性損害較小的球形二硫化錳形式， 并且如果要最大化熱導(dǎo)率，在固溶體中殘留的這兩種元素應(yīng)盡可能少。如上所述，由于工藝限制在鋼中實(shí)現(xiàn)特定元素的低量是昂貴的。例如，被認(rèn)為沒(méi)有 Cr的鋼(公稱(chēng)組成中0% Cr)，尤其是如果它是合金品質(zhì)的工具鋼，將很可能實(shí)際上具有％ Cr > 0，3%。在組成中未提及％ Cr意味著它不被認(rèn)為是重要的，而不是它不存在。因?yàn)橹辽倏梢酝ㄟ^(guò)使用精煉方法如ESR減少含量，％ Si的情況略有不同，但是歸因于加工窗口小，它在技術(shù)上是十分困難的(并且因而是昂貴的，并且因此僅當(dāng)存在優(yōu)先目的時(shí)將被進(jìn)行)以將％ Si降低至0，2%之下，并且同時(shí)獲得低量的夾雜物(尤其是氧化物)。所有根據(jù)公稱(chēng)組成范圍可以具有高熱導(dǎo)率的現(xiàn)有工具鋼，因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)主要原因而未具有高熱導(dǎo)率-% C的比例與碳化物構(gòu)成成分的比例沒(méi)有很好的平衡以最小化金屬基體中的固溶體，尤其是％ C的比例。通常因?yàn)橛幸馐褂霉倘荏w以增加機(jī)械耐受性而會(huì)這樣。-% Si和％ Cr的量可以是，例如，％ Cr < 1 (或者甚至沒(méi)有提及％ Cr，這種情況通常被錯(cuò)誤地認(rèn)為它為0% )和％ Si < 0，4，這意味著它們終止于％ Cr > 0，3和％ Si > 0，25。這也適用于對(duì)基體傳導(dǎo)性有強(qiáng)影響的所有痕量元素，并且更適用于在碳化物中具有高溶解度以及具有較大組織變形可能性的那些。通常除了 ％ Ni以及在一些情況下％ Mn以外，基體內(nèi)的溶體中其它元素不適宜超過(guò)0，5%。優(yōu)選該量不應(yīng)超過(guò)0，2%。如果對(duì)于給定應(yīng)用最大化熱導(dǎo)率是主要目標(biāo)的話(huà)，那么在基體中的溶體中除了 ％ Ni以及在一些情況下％ C和％Mn以外的任意元素不應(yīng)該超過(guò)0，1 %或者甚至最好不超過(guò)0，05%。發(fā)明詳述對(duì)于熱加工工具鋼，韌性是最重要特性之一，尤其是缺口敏感耐受性和斷裂韌性。 與一旦提供了足夠的韌性以避免裂紋或切屑，額外的韌性對(duì)于工具壽命不帶來(lái)任何增加的冷加工應(yīng)用不同，在熱疲勞是相關(guān)損傷機(jī)制的熱加工應(yīng)用中，工具壽命與韌性(缺口敏感性和斷裂韌性?xún)烧?成正比。另一個(gè)重要機(jī)械特性是工作溫度下的屈服強(qiáng)度(因?yàn)榍?qiáng)度隨溫度升高而降低)，并且對(duì)于一些應(yīng)用甚至是抗蠕變性。機(jī)械耐受性和韌性?xún)A向于成反比，但是不同的微組織獲得不同的關(guān)系，換言之在給定溫度下對(duì)于相同的屈服應(yīng)力可以獲得的不同韌性量是微組織的函數(shù)。在這方面眾所周知，對(duì)于大多數(shù)熱加工工具鋼，純回火馬氏體微組織是提供機(jī)械性能的最好折中的微組織。這意味著重要的是在熱處理過(guò)程中奧氏體化之后的冷卻過(guò)程中避免其它微組織如穩(wěn)態(tài)鐵素體-珠光體或亞穩(wěn)態(tài)貝氏體的形成。因此將需要快的冷卻速率，或者當(dāng)需要更大的淬透性時(shí)，應(yīng)該使用延遲那些更穩(wěn)定組織的形成動(dòng)力學(xué)的某些合金化元素，并且在所有可能的備選中應(yīng)該使用在熱導(dǎo)率上帶有最小負(fù)面影響的那些。提供高溫下的耐磨性和高屈服強(qiáng)度同時(shí)獲得高熱導(dǎo)率的一個(gè)策略是使用高電子密度Mfe3C次級(jí)碳化物并且有時(shí)甚至是初級(jí)碳化物(為了提高熱導(dǎo)率，M僅應(yīng)為Mo或W)。 存在帶有相當(dāng)高的電子密度的并且傾向于固化時(shí)帶有較少組織缺陷的一些其它(Mo、W、Fe) 碳化物。相比例如Cr和V，一些元素如&以及在更小的程度上Hf和Ta可以溶入該碳化物，而對(duì)于組織規(guī)則性有害影響更少，并且從而對(duì)載流子的散布并且因此對(duì)傳導(dǎo)率的影響更小，并且由于它們對(duì)C的高親和性它們也傾向于形成分離的MC碳化物。通常希望主要具有(Mo、W、Fe)碳化物(這里當(dāng)然部分％ C可以被％ N或％ B代替)，通常高于這種碳化物的60%并且最佳地高于80%或者甚至90%。幾乎沒(méi)有溶解的其它金屬元素(顯然在碳化物的情況下那些金屬元素將通常是過(guò)渡元素)可以存在于碳化物中，但是適宜的是對(duì)其進(jìn)行限制以保證高聲子傳導(dǎo)率。一般除了 Fe、Mo和W以外，沒(méi)有其它金屬元素超過(guò)碳化物的金屬元素重量百分比的20%。優(yōu)選不應(yīng)多于10%或者甚至更優(yōu)選5%。通常會(huì)出現(xiàn)這種情況，因?yàn)榧词箤?duì)于快速凝固動(dòng)力學(xué)它們也傾向于形成帶有極低凝固缺陷密度的組織(從而較少的引起載流子散布的結(jié)構(gòu)元素)。在這種情況下由Mo和W提供了對(duì)于形成穩(wěn)定組織 (珠光體和鐵素體)的足夠障礙，但是貝氏體的形成很快發(fā)生。對(duì)于某些鋼，可以通過(guò)以下方式獲得超貝氏體組織實(shí)施在于合金化元素的完全溶體化的馬氏體等溫淬火型熱處理， 并且之后快速冷卻至下貝氏體形成范圍內(nèi)的特定溫度(以避免鐵素體的形成)，并長(zhǎng)時(shí)間保持該溫度以獲得100%貝氏體組織。對(duì)于大部分鋼，需要純馬氏體組織，并且從而必須將某些元素添加至該體系中以延遲貝氏體轉(zhuǎn)變，因?yàn)镸o和W在這方面極為無(wú)效。通常針對(duì)該目的使用Cr，但是它對(duì)于該體系的熱導(dǎo)率具有極其負(fù)面的影響，因?yàn)樗苋隡fe3C碳化物中并導(dǎo)致很大的變形，所以更優(yōu)的是使用不會(huì)溶入碳化物中的元素。這些元素將降低基體傳導(dǎo)率并且因此應(yīng)使用帶有最小負(fù)面影響的那些。那么自然候選者是Ni，但是也可以平行地使用一些其它的元素。一般在3%至4%之間將足以獲得所需的淬硬性并且在不過(guò)分妨礙傳導(dǎo)性的情況下有助于增加韌性。對(duì)于一些應(yīng)用，更少的％ Ni也帶來(lái)所需的效果，尤其是如果％ Mn和％ Si略高，或者將使用更小的部分。所以對(duì)于一些應(yīng)用，2%至3%或者甚至至3% Ni可能就足夠了。最后，在CVN優(yōu)先以最大化熱導(dǎo)率的一些應(yīng)用中，將使用更高的％ Ni含量，通常至多5，5 %，并且特殊情況下至多9%。使用％ Ni的一個(gè)另外的益處是它在該濃度量下對(duì)于這種鋼傾向于降低熱膨脹系數(shù)，結(jié)果有益于熱疲勞(更高的鋼材優(yōu)質(zhì)值)。僅使用％ Mo —定程度上對(duì)熱導(dǎo)率有益，但是具有提供更高熱膨脹系數(shù)的缺點(diǎn)，并且從而降低整體耐熱疲勞性。通常優(yōu)選的是Mo為W的1，2至3倍，但不是沒(méi)有W。例外是僅將熱導(dǎo)率與韌性一起最大化，但是不特別要求耐熱疲勞性的應(yīng)用。當(dāng)保留在MoxW3_xFi53C碳化物體系中并且保持Cr的量盡可能低時(shí)，平衡％ W、% Mo 和％ C的含量的一種優(yōu)選方式是遵守以下合金化規(guī)則% Ceq = 0, 3+(% Moeq-4) · 0，04173其中Moe(1= % Mo+1/2% W。在得自上式的％ C^1為了優(yōu)化某些機(jī)械或摩擦學(xué)特性同時(shí)保持所需的高熱導(dǎo)率所允許的變化為最優(yōu)-0，03/+0,01；優(yōu)選-0，05/+0,03容許-0，1/+0,06可以將合金化規(guī)則以更適合于不同％ C合金并且從而適合于不同應(yīng)用的方式重新列出% Ceq (初步)=% Moeq · 0，04173其中Moe(1= % Mo+1/2% W。并且，那么，
如果% Ceq (初步)< =0，3 則 % Ceq (最終)=<% Ceq (初步)+K1如果% Ceq (初步)> 0，3 則 % Ceq (最終)=<% Ceq (初步)+K2其中&和1(2被選擇為最優(yōu)=Kl在
之內(nèi)；并且 K2 在
之內(nèi)優(yōu)選=Kl在
之內(nèi)；并且 K2 在
之內(nèi)容許=Kl在
之內(nèi)；并且 K2 在
之內(nèi)在這種情況下，高于0，25%的％ C對(duì)于避免鐵素體或珠光體形成的淬硬性是好的。但是如果要避免貝氏體形成，通常需要超過(guò)3%的量的Ni?？梢允褂闷渌鼜?qiáng)化機(jī)制，以尋求某些特定機(jī)械性質(zhì)組合，或者對(duì)于由加工環(huán)境引起的退化的耐受性?？偸菚?huì)試圖將所需的特性最大化同時(shí)對(duì)于熱導(dǎo)率具有最小可能性的負(fù)面影響?？梢允褂脦в蠧u、Mn、Ni、C0、Si等(包括帶有較低碳親和性的某些碳化物構(gòu)成成分如Cr)的固溶體和間隙固溶體(主要是C、N和B)。對(duì)于該目的也可以使用帶有金屬互化物組成如Ni3Mo、NiAl、Ni3Ti等的沉淀(并且因此除Ni和Mo以外，可以以較少的量添加元素Al、Ti，尤其是溶于M3Fe3C碳化物中的Ti)。并且最后也可以使用其它類(lèi)型的碳化物，但是通常保持高熱導(dǎo)率水平困難得多，除非碳化物形成物對(duì)于碳具有非常高的親和力，如Hf、 Zr以及甚至是Ta就是這種情況。通常使用Nb和V以降低獲得特定摩擦的成本，但是它們對(duì)于熱導(dǎo)率具有很強(qiáng)的影響，所以?xún)H當(dāng)成本是重要因素時(shí)才使用它們，并且以更小的量使用。這些元素的某些當(dāng)溶解在M3Fe3C碳化物中時(shí)也不是那么有害，對(duì)于ττ尤其是這樣的情況，而對(duì)于Hf和I1a,程度更小。當(dāng)按重量％計(jì)量數(shù)量時(shí)，所使用的元素的量無(wú)論大還是小都與所形成的碳化物的原子質(zhì)量和類(lèi)型有關(guān)。作為實(shí)例，2%V比多得多。V傾向于形成MC型的碳化物，除非它進(jìn)入與其它存在的碳化物的溶體中。所以形成一個(gè)單位的碳化物僅需要一個(gè)單位的V， 并且其原子質(zhì)量為50. 9415。W傾向于在熱加工工具鋼中形成M3i^e3C型碳化物。所以形成一個(gè)單位的碳化物需要三個(gè)單位的W，并且其原子質(zhì)量為183.85。因此用2% V可以形成比用4% W可以形成的碳化物多5，4倍單位的碳化物。在開(kāi)發(fā)出高熱導(dǎo)率工具鋼(W0/2008/017341)以前，所知道的增加工具鋼的熱導(dǎo)率的唯一方式為保持低合金化并且從而有著較差的機(jī)械特性，尤其是在高溫下。在長(zhǎng)時(shí)間暴露至600°C以上之后能夠達(dá)到超過(guò)42HRC的熱加工工具鋼被認(rèn)為具有30W/mK的熱導(dǎo)率上限和8mm2/S的熱擴(kuò)散系數(shù)上限。本發(fā)明的工具鋼在具有那些機(jī)械性能和良好的淬透性的同時(shí)，表現(xiàn)出超過(guò)8mm2/s的熱擴(kuò)散系數(shù)，并且通常超過(guò)llmm2/S。選擇熱擴(kuò)散系數(shù)作為相應(yīng)的熱性能，因?yàn)樗菀拙_測(cè)量，并且因?yàn)榇蠖鄶?shù)工具在周期性過(guò)程中應(yīng)用，那么熱擴(kuò)散系數(shù)甚至比熱導(dǎo)率對(duì)于性能評(píng)價(jià)更相關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)任何冶金路線(xiàn)制造本發(fā)明的工具鋼，最常見(jiàn)的是砂型鑄造、精細(xì)鑄造、 連續(xù)鑄造、電爐熔煉、真空感應(yīng)熔煉。也可以使用粉末冶金方法，所述方法包括任意類(lèi)型的霧化和隨后的壓塊方法，例如HIP、CIP、冷或熱壓、燒結(jié)、熱噴霧或鍍覆等。可以直接獲得帶有所需形狀的合金，或者進(jìn)一步將其通過(guò)冶金方法改進(jìn)。可以使用任何精煉冶金方法如 ESR、A0D、VAR等，通常將使用鍛造或軋制，甚至是塊體的三維鍛造以提高韌性。可以作為棒材、線(xiàn)材或在焊接過(guò)程中作為焊接合金使用的粉末獲得本發(fā)明的工具鋼。甚至可以通過(guò)以下方式構(gòu)造模通過(guò)使用低成本鑄造合金并且通過(guò)用本發(fā)明的鋼制成的棒材或線(xiàn)材焊接，或者甚至通過(guò)使用由本發(fā)明的鋼制成的粉末的激光、等離子體或電子束焊接，以將本發(fā)明的鋼提供至模的關(guān)鍵部位上。也可以和任何熱噴射技術(shù)一起使用本發(fā)明的工具鋼以將其提供至另一種材料的表面的一部分。也可以將本發(fā)明的工具鋼用于以下結(jié)構(gòu)經(jīng)受很大熱機(jī)械負(fù)荷的部件，或者主要地任何傾向于由于熱疲勞而損壞，或者帶有高韌性需求并且受益于高熱導(dǎo)率的部件。益處來(lái)源于快速熱傳遞或者更低的加工溫度。作為實(shí)例用于內(nèi)燃機(jī)的部件(如發(fā)動(dòng)機(jī)擋圈)、 反應(yīng)器(同樣在化學(xué)工業(yè)中)、熱交換裝置、發(fā)電機(jī)或者一般任何用于能量傳遞的機(jī)械；用于金屬的鍛造(開(kāi)式模或閉式模中)、擠出、軋制、鑄造和制卷(tixo-forming)中的模；用于熱塑性和熱固性材料兩者的所有形式的塑性成形的模；一般而言任何可以受益于提高的耐熱疲勞性的模、工具或部件；以及同樣受益于改善的熱處理的模、工具或部件，如用于釋放大量能量(如不銹鋼)或者處于高溫下(熱切割、模壓淬火)的材料的形成或切割的模就是這種情況。
實(shí)施例提供如何可以對(duì)于不同類(lèi)型的熱加工應(yīng)用更精確地指定本發(fā)明的鋼組成的一些實(shí)施例實(shí)施例1用于帶有相當(dāng)大壁厚的重件鋁模鑄造，在這種情況下需要盡可能高的熱導(dǎo)率，但是需要帶有純馬氏體微組織的非常高的淬透性，并且缺口敏感性應(yīng)盡可能低，并且斷裂韌性應(yīng)盡可能高。該溶體在帶有非常好的淬透性的情況下最大化耐熱疲勞性，因?yàn)橛脽峒庸すぞ咪摌?gòu)成的?；虿考ǔ＞哂蟹浅Ｖ氐牟糠?。在這種情況下可以使用以下組成范圍Ceq 0. 3-0. 34Cr < 0，1 (優(yōu)選％ Cr < 0，05% )Ni :3. 0-3. 6Si :< 0，15 (優(yōu)選％ Si < 0，1但是帶有可接受量的氧化物夾雜物)Mn < 0, 2 Moeq 3，5-4, 5其中Moetl = % Mo+1/2% W所有其它元素應(yīng)保持盡可能低并且在任何情況下在0，之下。所有值以重量％計(jì)。用兩個(gè)實(shí)例顯示了可以達(dá)到的相應(yīng)的性能
權(quán)利要求
1. 一種鋼，特別是熱加工工具鋼，其具有以下所有百分比為重量百分比的組成% Ceq = 0. 20-1. 2% C ==0. 20-1. 2% N ==0-1% B ==0-1% Cr < 1, 5% Ni=1，0-9% Si< 0，4% Mn=0-% Al = 0-2. 5% Mo=0-10% W ==0-15% Ti=0-% Ta = 0-3% Zr=0-3% Hf=0-3，% V =0-4% Nb = 0-3% Cu=0-4% Co=0-6，% S =0-1% Se = 0-1% Te=0-1% Bi=0-1% As=0-% Sb = 0-1% Ca=0-1，余量由鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，其中 % Ceq= % C+0. 86*% N+1. 2*% B, 其特征在于， % Mo+1/2 · % W > 1，2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼，其中至少80重量％的碳化物為主要的Fe、Mo或W單獨(dú)或組合的碳化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼，其中沒(méi)有其它一種金屬元素以高于10重量％的濃度存在于所述i^e、Mo和/或W碳化物內(nèi)部的固溶體中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3中的任一項(xiàng)所述的鋼，其中所述碳化物中的％C至少部分地被％ N*/或％ B代替。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的鋼，其中除％Ni和/或％ Mn以外，沒(méi)有一種存在于包埋所述碳化物的狗金屬基體內(nèi)部的固溶體中的元素的濃度高于0. 5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的鋼，其中除％Ni以外，沒(méi)有一種存在于包埋所述碳化物的狗金屬基體內(nèi)部的固溶體中的元素的濃度高于0. 1%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的鋼，其特征在于0，03 < XCeq-AC · [xMo/ (3 · AMo) +xff/ (3 · AW) +xV/AV] > 0，165 其中XCetl-碳的重量百分比； xMo-鉬的重量百分比； xW-鎢的重量百分比； xV-釩的重量百分比； AC-碳原子質(zhì)量(12，0107u)； AMo-鉬原子質(zhì)量(95，94u)； Aff-鎢原子質(zhì)量(183，84u)； AV-釩原子質(zhì)量(50，9415u)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的鋼，其中 % Ni+9*% Mn+5*% Si < 8。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的鋼，其中% Ceq = 0. 26-0. 55，% C = 0. 20-0. 55，% N = 0-0. 6 并且 ％ B = 0-0. 45。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的鋼，其中 % Cr < 0. 2, % Si < 0. 2 并且％ Ni > 2. 99。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任-
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任-
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任--項(xiàng)所述的鋼，其中％ Cr < 0. 1。 -項(xiàng)所述的鋼，其中％ Si < 0. 1。 1 頁(yè)所述的鋼，其中％ Cr < 0. 05并且％ Si <0. 05ε
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項(xiàng)所述的鋼，其中％Mo = 2-10， 其特征在于，3 <% Mo+1/2 · % W < Il0
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中的任--項(xiàng)所述的鋼，其中% Cpn = 0. 26-0. 4 % C = 0. 26-0. 4% Ni = 2. 99-6% Cr < 0. 5 % W = 0-5。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任一項(xiàng)所述的鋼，其中 % Cpn = 0. 28-0. 36 % C = 0. 28-0. 36 % N = 0-0. 4% N = 0-0. 45 % B = 0-0. 3 % Si < 0. 3 % Mo = 2. 5-8% Ni = 2. 99-5% Si < 0. 25% B = 0-0. 25 % Mo = 3-6. 5% Cr < 0. 3 % W = 1-4。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中的任一項(xiàng)所述的鋼，其特征在于 xCeq* (xMo+0, 5*xW) / (xCr+xV+xNb) > 8其中XCetl-碳的重量百分比； χΜο-鉬的重量百分比； xW-鎢的重量百分比； xV-釩的重量百分比； xNb-鈮的重量百分比；其中，即使以低于0，05%的濃度存在，xCr, xV和xNb也是實(shí)際的重量百分比。
18.一種模、工具或部件，所述模、工具或部件包含至少一種根據(jù)權(quán)利要求1至17中的任一項(xiàng)所述的鋼。
全文摘要
本發(fā)明開(kāi)發(fā)了一種帶有優(yōu)異熱擴(kuò)散系數(shù)、韌性(斷裂韌性和缺口敏感彈性CVN-卻貝V形缺口兩者)和淬透性的熱加工工具鋼。盡管有高熱導(dǎo)率，但是因?yàn)楸景l(fā)明的工具鋼表現(xiàn)出高合金化水平，因此它在室溫和高溫(高于600℃)下的機(jī)械耐受性和屈服強(qiáng)度也很高。在給定的優(yōu)異的耐熱疲勞性和熱沖擊下，對(duì)于很多同時(shí)需要耐熱裂性和耐磨性的應(yīng)用，如一些鍛造和模鑄用模的某些部件的情況，可以大幅增加耐磨性。
文檔編號(hào)C22C38/44GK102369304SQ201080014370
公開(kāi)日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者艾薩克·巴爾斯盎格魯斯 申請(qǐng)人:羅瓦瑪股份公司, 艾薩克·巴爾斯盎格魯斯