專利名稱：：馬氏體時(shí)效鋼制品及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及采用粉末冶金加工法制造具有特定組成的馬氏體時(shí)效鋼制品。通過在直接熱等靜壓(AS-HIP(ashotisostaticallypressed))條件或熱等靜壓(HIP)和熱作條件下實(shí)踐本發(fā)明制得的鋼適于涉及高溫或循環(huán)加熱冷卻的用途。本發(fā)明的鋼制品在制造后和溶液熱處理后的硬度小于40HRC，這使所述制品能夠進(jìn)行機(jī)器加工。而在制品的制造和隨后的馬氏體時(shí)效處理后，其硬度大于45HRC。本發(fā)明的鋼制品的應(yīng)用包括塑料加工、或液體金屬或熱固體金屬的加工，其包括但不局限于液體金屬澆鑄用模具、塑料用模具、鍛造其他金屬用模具和擠壓用模具。用于這些用途的工具的循環(huán)加熱冷卻體現(xiàn)了這些用途的特征。該循環(huán)加熱冷卻在工具中產(chǎn)生了充足的應(yīng)力從而導(dǎo)致熱疲勞裂紋，也稱為熱裂紋(heatchecking)。不同的應(yīng)用可耐受不同量的熱裂紋。對(duì)一些需要高品質(zhì)裝飾性外觀的產(chǎn)品而言，在模具出現(xiàn)了非常有限的熱裂紋后就必須更換。對(duì)其他不需要高品質(zhì)裝飾性外觀的產(chǎn)品而言，即使該模具出現(xiàn)了嚴(yán)重的熱裂紋，也可以繼續(xù)使用。在所有的情況下，大多數(shù)模具最終都會(huì)因熱疲勞裂紋而失效并被更換。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有的熱作模具鋼(hotworktoolsteel)足夠用于對(duì)嚴(yán)格的裝飾性要求較低或使用期限周期較短的產(chǎn)品。然而，對(duì)有較高的裝飾性要求的產(chǎn)品而言，需要具有更長(zhǎng)的有效使用壽命的工具以滿足生產(chǎn)實(shí)踐的需要。工具被用在包括熱金屬加工在內(nèi)的數(shù)種應(yīng)用中。所述金屬可以是液體形式(例如在壓鑄中)或者固體形式(例如在熱擠壓和熱鍛中)。所有這些工具材料的使用壽命通常都取決于熱疲勞裂紋。也就是說，隨著加工的進(jìn)行，在工具的表面有更多的熱疲勞裂紋產(chǎn)生，存在的熱疲勞裂紋也不斷擴(kuò)展。當(dāng)熱疲勞裂紋的程度使所制得的部件的質(zhì)量不能被接受時(shí)就要更換模具。對(duì)用于高溫用途的鋼的要求包括.-材料必須具有被熱處理至大于45HRC的能力，45HRC是現(xiàn)有技術(shù)中大多數(shù)工具維持形狀的通常最小的加工硬度。材料還必須具有良好的高溫強(qiáng)度。疲勞裂紋與材料的強(qiáng)度有關(guān)。因此，更高的強(qiáng)度是能提高抗熱疲勞裂紋性的一個(gè)因素。由于模具暴露于高溫，所以會(huì)出現(xiàn)模具材料的軟化。材料的軟化也會(huì)降低材料的強(qiáng)度，使其更容易產(chǎn)出熱疲勞裂紋。因此，模具材料必須具有良好的抗軟化性，也稱為回火穩(wěn)定性。上述操作中所用的許多工具都由于熱疲勞裂紋的存在而被停止使用。熱疲勞裂紋與常規(guī)的疲勞裂紋有相似性。然而，在熱疲勞裂紋的情況下，應(yīng)力是通過循環(huán)加熱冷卻而被引入到工具內(nèi)的。因此，此工具所用的材料具有良好的抗熱疲勞裂紋性是非常重要的。在加熱冷卻循環(huán)過程中工具的熱膨脹將應(yīng)力引入到工具中。因此，材料應(yīng)當(dāng)具有盡量低的熱膨脹系數(shù)或者具有的熱膨脹系數(shù)的最小值比當(dāng)前所用的材料的熱膨脹系數(shù)低。將許多工具進(jìn)行涂布以抵抗腐蝕。因此，模具材料必須能用PVD(物理氣相沉積)或其他相關(guān)涂布法進(jìn)行涂布。雖然有一些應(yīng)用可采用AS-HIP(直接熱等靜壓)條件下的發(fā)明，但大多數(shù)應(yīng)用需要將材料熱加工成適合于消費(fèi)者的更小的部件。因此，材料必須具有良好的熱加工性能。一些材料普遍應(yīng)用于熱作。已開發(fā)出H系列工具鋼用于這些應(yīng)用，最常見的是5Cr熱作模具鋼。所述H系列工具鋼包括在美國已知為H13和H11的鋼。H13鋼種標(biāo)稱有0.38重量X的碳、5.25重量％的鉻、1.25重量％的鉬、1.0重量％的硅和1.0重量％的釩。除了釩含量為0.5重量％外，H11鋼種與H13鋼種基本相同。對(duì)于更嚴(yán)格的應(yīng)用，通常采用電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)方法加工Hll或H13鋼。這些5Cr工具鋼的幾種變體也已被使用。在這些變體中，最有名的是為了增加韌性而具有更低硅含量的Hll。另一種是為了改善回火穩(wěn)定5性而具有更少的硅和增加的鉬的Hll。表1列出一些標(biāo)準(zhǔn)的和非標(biāo)準(zhǔn)的市售工具鋼的標(biāo)稱化學(xué)組成。表l選出的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)熱作模具鋼的標(biāo)稱化學(xué)組成<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>其中，過去已用于熱作的其他材料是馬氏體時(shí)效鋼。大多數(shù)馬氏體時(shí)效鋼包含約18%的鎳和若干的鈦，通過Ni-Mo和Ni-Ti顆粒的沉淀獲得其硬度。許多這種鋼都采用相對(duì)低的溫度(通常低于1000。F)進(jìn)行時(shí)效，這樣能限制材料暴露于高溫時(shí)的有效性。表2列出一些市售的馬氏體時(shí)效鋼的標(biāo)稱化學(xué)組成。表2選出的馬氏體時(shí)效鋼的標(biāo)稱化學(xué)組成<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>過去已開發(fā)出一些具有良好的抗熱疲勞性和良好強(qiáng)度的常規(guī)的馬氏體時(shí)效鋼，但當(dāng)通過常規(guī)方法制備時(shí)，所述馬氏體時(shí)效鋼在從錠(ingot)階段到精煉階段的加工過程中顯示出較差的熱加工性能。這種較差的熱加工性能導(dǎo)致最終產(chǎn)品有缺陷或從錠階段到制成可商品化產(chǎn)品的精煉階段的成品率較低(小于50%)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種由粉末冶金法制備的、可用作高溫用工具的、能滿足上述要求的新型馬氏體時(shí)效鋼合金制品。所述制品完全致密且由預(yù)合金粉末顆粒制成。表3本發(fā)明的合金的化學(xué)組成范圍<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>材料的硬化通過固溶退火和時(shí)效來實(shí)現(xiàn)，即在預(yù)定溫度下加熱預(yù)定時(shí)間。這使微小的沉淀顆粒得以形成，從而使材料的低碳馬氏體結(jié)構(gòu)硬化。在下文中，將對(duì)單個(gè)合金元素的重要性及其相互作用進(jìn)行解釋。在說明書和權(quán)利要求中化學(xué)組成所涉及的所有百分比都是重量百分比。鉬是強(qiáng)化該馬氏體時(shí)效鋼的關(guān)鍵元素，因?yàn)閷?dǎo)致合金硬化的沉淀是Fe2Mo。鉬也是增加合金的回火穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。過量的鉬會(huì)導(dǎo)致有害的S鐵素體的形成。需要適當(dāng)?shù)挠嗔康拟捯员苊獬霈F(xiàn)不需要的相并影響時(shí)效過程。鈷是奧氏體形成元素，在避免高溫時(shí)S鐵素體的形成的同時(shí)，還對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變到馬氏體的溫度的影響最小。鈷還能降低鉬在馬氏體基體中的溶解性，從而使鉬更易于形成沉淀。一定量的鉻對(duì)抗高溫氧化是有利的。過量的鉻會(huì)導(dǎo)致5鐵素體的形成。鎳對(duì)抗氧化也有益處，并且對(duì)機(jī)械特性有利。過量的鎳會(huì)導(dǎo)致在通常的使用溫度下形成奧氏體。碳不是在該材料的強(qiáng)化機(jī)理中的關(guān)鍵元素。硅不是合金特性方面的關(guān)鍵元素。硅可用于在熔融過程中的脫氧。硅是很強(qiáng)的鐵素體穩(wěn)定劑。錳對(duì)合金特性而言并不關(guān)鍵。錳可用于形成硫化錳，因此錳的含量應(yīng)當(dāng)隨著用于提高切削加工性能的硫的量的增加而增加。可存在硫以提高切削加工性能。釩、鈮、鈦、鎢、鋯、鋁和其他強(qiáng)碳化物和/或氮化物形成元素是不需要的元素，因此其存在量不應(yīng)大于偶存的雜質(zhì)水平。本發(fā)明的合金制品是在固溶退火條件下提供的，所述固溶退火條件是通過將材料在1740°F1925°F之間加熱來進(jìn)行的。以馬氏體時(shí)效處理進(jìn)行的硬化是通過將材料在1050°F1360QF之間加熱來實(shí)現(xiàn)的。圖1是表示通過粉末冶金法制備的在本發(fā)明的組成范圍內(nèi)的合金樣品與通過ESR制備的合金樣品在延性方面的比較的曲線圖；圖2是比較本發(fā)明的樣品與H13合金樣品的抗熱疲勞性的曲線圖；和圖3是比較本發(fā)明的樣品與H13合金樣品的硬度的曲線圖。具體實(shí)施方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確定被認(rèn)為對(duì)本發(fā)明的合金制品的優(yōu)異性能較重要的各種特性。所述實(shí)驗(yàn)包括作為衡量熱加工性能的快速應(yīng)變拉伸測(cè)試、熱疲勞裂紋、回火穩(wěn)定性、室溫和100(TF下的拉伸測(cè)試、熱膨脹系數(shù)的確定和涂布試驗(yàn)。下面是測(cè)試樣品(本發(fā)明的鋼和H13鋼)的組成。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>快速應(yīng)變拉伸測(cè)試?yán)猛ㄟ^粉末冶金法制成的本發(fā)明的合金制品和具有同樣組成的電渣重熔材料來進(jìn)行快速應(yīng)變拉伸測(cè)試。在快速應(yīng)變測(cè)試中，通過直接的電阻加熱將樣品加熱。達(dá)到需要的測(cè)試溫度并在該溫度平衡后，施加負(fù)載從而使應(yīng)變速率達(dá)到550in/in/分鐘。該測(cè)試在模擬材料熱加工過程中存在的條件方面具有適用性。測(cè)試溫度是1800。F、1900。F、2000。F、2100。F、2150。F、2200。F和2250°F。圖1表示由本發(fā)明的合金以及具有同樣組成的ESR材料制成的樣品的快速應(yīng)變速率拉伸測(cè)試的斷面收縮率。該圖清楚地表示出粉末冶金材料具有相當(dāng)大的延性優(yōu)勢(shì)。ESR材料的延性不足以進(jìn)行熱加工?？焖賾?yīng)變測(cè)試與全尺寸試驗(yàn)(fullsizetrials)的結(jié)果也一致。制備了兩個(gè)具有本發(fā)明的粉末冶金合金組成的全尺寸壓塊，并通過熱等靜壓對(duì)其進(jìn)行壓制(consolidate)。然后通過熱軋將每個(gè)壓塊加工成中間尺寸，而后加工成最終尺寸。兩個(gè)壓塊都未顯示出難以進(jìn)行熱加工，并且工藝成品率在其他工具鋼的標(biāo)準(zhǔn)工藝成品率內(nèi)。相反，通過ESR或其他常規(guī)方法制備的全尺寸錠的試驗(yàn)顯示出該錠在型鋼制造設(shè)備上加工的過程中具有較差的熱加工性，導(dǎo)致工藝成品率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)的工藝成品率，而且包括兩次加熱，使其完全報(bào)廢?？篃崞谛詿嶙髂＞咪摰牧硪粋€(gè)重要特征是抗熱疲勞性。有數(shù)種測(cè)試可用來測(cè)量熱疲勞裂紋，盡管這些測(cè)試中沒有一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)方法(例如，ASTM)。某些測(cè)試是通過下述方法進(jìn)行的采用加熱用感應(yīng)線圈將樣品加熱到高溫，然后使樣品冷卻。將該過程循環(huán)多次，在測(cè)試過程中定期對(duì)樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)。另一個(gè)方法包括以冷卻水用內(nèi)置冷卻腔測(cè)試樣品。將該樣品反復(fù)浸沒在液體鋁浴內(nèi)。再次在測(cè)試過程中定期對(duì)裂紋進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)本發(fā)明的合金的測(cè)試是采用通過熱等靜壓和熱加工制備的1/2平方英寸x6英寸長(zhǎng)的固體樣品進(jìn)行的。在同一個(gè)過程中，可以將測(cè)試樣品與高達(dá)5個(gè)的其他樣品同時(shí)進(jìn)行測(cè)定。此試驗(yàn)所用的其他樣品是ESRHl3材料，這是在鋁壓鑄模具中最常用的合金。將樣品栓接在支持板上，該支持板固定于機(jī)械臂的末端，所述機(jī)械臂能使樣品穿行于測(cè)試循環(huán)的各個(gè)階段。機(jī)械臂將樣品浸入熔融鋁中，深度為約5英寸，時(shí)間持續(xù)7秒。然后將樣品從熔融鋁中提起，移動(dòng)到水槽上方部位，然后將樣品浸沒在水中12秒。接下來機(jī)械臂將樣品從水中提起，并將樣品移動(dòng)到熔融鋁上方部位，并持續(xù)5秒以便干燥樣品。然后重復(fù)該循環(huán)。在試驗(yàn)過程中，定期評(píng)價(jià)樣品的熱疲勞裂紋，通常是每5000個(gè)循環(huán)評(píng)價(jià)一次。用碳化硅砂紙?jiān)诨◢弾r平板上清潔樣品的兩個(gè)相對(duì)面。然后在體視顯微鏡下以90倍的放大倍數(shù)觀察每個(gè)樣品的四個(gè)清潔過的角。為了避免端部效應(yīng)，在1-3/8英寸(l-3/8")長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行觀察，觀察區(qū)域定位于樣品底端起約1-3/8英寸處。四個(gè)角的每一個(gè)都貫穿1-3/8英寸的長(zhǎng)度，記錄裂紋的數(shù)目和長(zhǎng)度。有很多使該數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法，但測(cè)試結(jié)果表明樣品的等級(jí)幾乎沒有偏差。因此，簡(jiǎn)單地將裂紋的總數(shù)除以角數(shù)(4)，得到了每個(gè)角的裂紋數(shù)。圖2是表示粉末冶金法制備的本發(fā)明的樣品與ESRH13鋼樣品的試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。如前所述，熱疲勞裂紋是工具失效的最常見的原因。因此，相信熱疲勞測(cè)試為本發(fā)明合金的改善的性能提供了最重要的指示?；鼗鸱€(wěn)定性也進(jìn)行了確定本發(fā)明的合金制品的回火穩(wěn)定性的試驗(yàn)。將本發(fā)明的PM合金樣品和H13鋼樣品熱處理到相同的硬度水平，對(duì)每種材料都采用通常的熱處理循環(huán)。測(cè)試并記錄了起始硬度。然后將樣品放入溫度為1200°F的爐中。在此溫度下50小時(shí)后取出一組樣品，測(cè)試并記錄硬度水平。在此溫度下100小時(shí)后取出另一組樣品，測(cè)試并記錄硬度水平。圖3是表示1200°F時(shí)硬度水平隨保持時(shí)間變化的曲線圖?？梢钥闯霰景l(fā)明的合金比H13鋼具有更高的回火穩(wěn)定性。拉伸特性表4列出本發(fā)明的PM合金制品的拉伸測(cè)試結(jié)果與ESRH13鋼的結(jié)果。將測(cè)試樣品用機(jī)器加工為直徑0.250英寸，標(biāo)距長(zhǎng)度(4D)1.00英寸。結(jié)果顯示本發(fā)明的合金在室溫和1000°F時(shí)都具有更高的屈服和抗拉強(qiáng)度。該更高的強(qiáng)度使得本發(fā)明的合金制品不易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。表4拉伸特性<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>熱膨脹系數(shù)熱膨脹在工具的抗熱疲勞裂紋性和工具的最終產(chǎn)品質(zhì)量中都是一重要的因素。在兩種情況中都希望熱膨脹系數(shù)更小。降低熱膨脹系數(shù)的意義在于與尺寸變化大的材料相比，尺寸變化小的工具容易降低熱應(yīng)力。存在的應(yīng)力越小，工具的抗熱疲勞裂紋性越好。熱膨脹系數(shù)由熱膨脹分析(TDA)法確定。經(jīng)確定，本發(fā)明的PM合金制品在72°F1110°F的溫度范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)是6.6xl(T6in/in/°F。ESRH13模具鋼在72°F1110°F的溫度范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)是7.3xl0—6in/in/°F。現(xiàn)場(chǎng)涂布試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示本發(fā)明的PM合金制品易于用物理氣相沉積(PVD)法或化學(xué)氣相沉積(CVD)法進(jìn)行涂布，其中CVD法采用的溫度比PVD法采用的溫度高。用PVD涂布法將TiN、TiAlN和CrN涂布在本發(fā)明的合金制品上。本發(fā)明的制品和ESRH13鋼都是在750°F850°F溫度范圍內(nèi)以較高的沉積速率沉積上涂層的。與許多其他的馬氏體時(shí)效鋼不同，該溫度比本發(fā)明的合金制品的時(shí)效溫度低得多。同樣地，用化學(xué)氣相沉積法將涂層沉積在本發(fā)明的合金制品和常規(guī)工具鋼材料上。常規(guī)工具鋼不太適合CVD，因?yàn)橥坎歼^程通常在比該合金的臨界溫度高的溫度下進(jìn)行。本發(fā)明的制品提供的優(yōu)勢(shì)是CVD法導(dǎo)致所需的熱處理，即固液退火。涂布后，本發(fā)明的制品僅需要單一的時(shí)效處理。馬氏體時(shí)效法的本質(zhì)是工具的尺寸變化非常小，能實(shí)現(xiàn)涂層在基底上的良好附著。權(quán)利要求1.一種全致密的、用作高溫用工具的、通過粉末冶金法由預(yù)合金粉末制得的馬氏體時(shí)效鋼合金制品，所述制品含有最多0.08重量％的C，最多1.0重量％的Mn，最多1.0重量％的Si，2.5重量％～6.0重量％的Cr，6.0重量％～10.0重量％的Mo，1.0重量％～4.0重量％的Ni，9.0重量％～14.0重量％的Co，最高0.3重量％的硫，而余量為鐵以及偶存元素和雜質(zhì)；所制備的所述制品的硬度小于40HRC，以提供切削加工性；并且所述制品經(jīng)馬氏體時(shí)效熱處理后硬度大于45HRC。2.如權(quán)利要求1所述的制品，所述制品含有最多0.05重量％的C，0.1重量％0.05重量X的Mn，0.01重量％0.5重量％的Si，4重量X5.75重量X的Cr，7重量％9重量％的Mo，1.5重量％3重量％的Ni，10重量％13重量％的0)，0.005重量％0.05重量％的S，而余量為鐵以及偶存元素和雜質(zhì)。3.如權(quán)利要求1所述的合金制品，所述合金制品含有0.01重量％0.04重量X的C，0.2重量X0.4重量X的Mn，0.15重量％0.4重量％的Si，4.7重量％5.3重量％的0，7.5重量X8.5重量X的Mo，1.7重量％2.3重量％的Ni，10.75重量％12重量％的Co，0.01重量％0.03重量X的S，而余量為鐵以及偶存元素和雜質(zhì)。4.如權(quán)利要求l、2或3所述的制品，所述制品是在固溶退火條件下得到的。5.如權(quán)利要求l、2或3所述的制品，其中，所述制品是模具形式。6.如權(quán)利要求l、2或3所述的制品，其中，所述制品是液體金屬用容器形式。7.在熱金屬加工中使用的制品的制備方法，所述方法包括對(duì)馬氏體時(shí)效鋼的預(yù)合金粉末進(jìn)行壓制，從而產(chǎn)生全致密的、硬度小于40HRC的制品以提供切削加工性；隨后將所述制品進(jìn)行馬氏體時(shí)效熱處理，從而達(dá)到大于45HRC的硬度；并且所述預(yù)合金粉末含有最多0.08重量％的C，最多1.0重量％的Mn，最多1.0重量X的Si，2.5重量％6.0重量％的&，6.0重量％10.0重量％的Mo，1.0重量％4.0重量％的Ni，9.0重量°%14.0重量％的Co，最高0.3重量％的硫，而余量為鐵以及偶存元素和雜質(zhì)。8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述預(yù)合金粉末含有最多0.05重量％的C，0.1重量％0.05重量％的Mn，0.01重量％0.5重量％的Si，4重量％5.75重量％的Cr，7重量％9重量％的Mo，1.5重量0/^3重量X的Ni，10重量％13重量％的0)，0.005重量Q/^0.05重量X的S，而余量為鐵以及偶存元素和雜質(zhì)。9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述預(yù)合金粉末含有0.01重量％0.04重量％的C，0.2重量％0.4重量％的Mn，0.15重量％0.4重量X的Si，4.7重量％5.3重量％的Cr，7.5重量％8.5重量％的Mo，1.7重量％2.3重量％的Ni，10.75重量％12重量％的Co，0.01重量％0.03重量％的S，而余量為鐵以及偶存元素和雜質(zhì)。10.如權(quán)利要求7、8或9所述的方法，其中，所述馬氏體時(shí)效熱處理是在540°C700°C范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行的。全文摘要本發(fā)明涉及一種全致密的、通過粉末冶金法制備的、用作高溫用工具的、預(yù)合金粉末的馬氏體時(shí)效鋼合金制品。在所述制備條件下得到的所述制品的硬度小于40HRC，從而提供切削加工性，經(jīng)過馬氏體時(shí)效熱處理后所述制品的硬度大于45HRC。該制品的制備方法包括對(duì)預(yù)合金粉末進(jìn)行壓制從而制備全致密的、硬度小于40HRC的制品，隨后進(jìn)行馬氏體時(shí)效熱處理使硬度大于45HRC。文檔編號(hào)C22C1/04GK101258259SQ200680032381公開日2008年9月3日申請(qǐng)日期2006年8月10日優(yōu)先權(quán)日2005年9月6日發(fā)明者安杰伊·L·沃伊切茨斯基,布萊恩·J·邁克蒂爾南,約瑟夫·F·穆哈申請(qǐng)人:科盧斯博材料有限公司