專利名稱：：粉末冶金制造的高速鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及具有以下化學(xué)組成的高速鋼，其包含，以重量％計0.6-2.1C，3-5Cr,4-14Mo，最多5W,最多15Co和0.5-4V，余量的鐵和制鋼中的雜質(zhì)。該高速鋼用于切削應(yīng)用中，如鉆頭、銑刀和帶鋸。背景4支術(shù)用于如鉆頭、銑刀和帶鋸的切削應(yīng)用中的鋼的特征應(yīng)優(yōu)選為具有良好的可磨性和高的邊緣強(qiáng)度。具有這些特性的材料的實例為常規(guī)制造的高速鋼HS2-9-l-8，其化學(xué)組成為1.0-1.15C,7.50-9.0Co，3.50-4.50Cr，9.00-10.00Mo,0.90-1.5V，1.20-1.90W以及最多0.70Si。常規(guī)制造的高速鋼中硅的高含量常產(chǎn)生大量的碳化物，例如這種大量的碳化物會不利地影響可磨性及邊緣強(qiáng)度。良好的邊緣強(qiáng)度將會促成較長的壽命、平穩(wěn)的壽命，且能實現(xiàn)高速進(jìn)料，即邊緣的高負(fù)載。良好可磨性的重要性主要在于由鋼制造工具的過程中，因為切削邊緣的研磨等是耗時的作業(yè)。發(fā)明簡述本發(fā)明的目的是提供切削應(yīng)用中所用的材料，并且其在硬度及邊緣強(qiáng)度方面具有改善的的特性。有點出人意料的是，通過一種高速鋼實現(xiàn)了該目的，該高速鋼的特征為由粉末冶金制造且具有Si含量的范圍為0.7<Si^2重量%。除此之外，這種材料還應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)中的一些它應(yīng)具有改善的韌性/強(qiáng)度、壽命和可磨性，同時，這種材料和目前已知的這種應(yīng)用的材料一樣，應(yīng)易用于輕型機(jī)械(如具有刀具、車肖'Kturn)和鉆頭的研磨機(jī))中使用。根據(jù)本發(fā)明其他方面，所述鋼-包含最多1.5Si,更優(yōu)選最多1.1Si。-包含0.7-0.9Si，優(yōu)選0,75-0.85Si,最優(yōu)選0.78-0.82Si。-包含最多1.5C,優(yōu)選1.0-1.15C。-包含最多3,5-4.5Cr，優(yōu)選3.7-4.0Cr。-包含6-12Mo，優(yōu)選9-10Mo，最優(yōu)選9.2-9.7Mo。畫包含1-3W,優(yōu)選1.2-1.9，最優(yōu)選1.3畫1.7W。-包含最多12Co，優(yōu)選7.5-9.0Co，最優(yōu)選7.7-8.2Co。-包含0.9-2.5V,優(yōu)選最多1.5V，最優(yōu)選l.1-1.2V。-在1100畫1200。C的溫度下硬化。-用于雙金屬鋸片時，優(yōu)選使用600-650。C的回火溫度，且回火時間在0.5-10分鐘之間。陽用于其它類型切削作業(yè)時，優(yōu)選使用500-600。C的回火溫度，且回火時間在0.5-4小時之間。附圖簡述圖1是顯示硬度作為回火溫度函數(shù)的示圖，圖2是顯示韌性作為硬度函數(shù)的示圖，和圖3是顯示在硬化條件下硬度作為硅含量函數(shù)的示圖。發(fā)明詳述在沒有將本發(fā)明限于任何具體理論的情況下，不同的合金元素以及不同的結(jié)構(gòu)元素在獲得所期望的性能中的重要性將更詳細(xì)地說明。在合金元素的情況下，百分比總是以重量％給出，且在結(jié)構(gòu)元素的情況下，百分比總是以體積％給出，除非另有說明。碳應(yīng)以0.6-2.1%、更優(yōu)選0.6-1.5%、最優(yōu)選1.0-1.15%的含量存在，以便當(dāng)溶解于馬氏體中時在硬化和回火的條件下得到一種適于應(yīng)用的硬度。此外碳應(yīng)與釩相結(jié)合以有利于得到足夠量的初生沉淀的MX-碳化物，并且與鎢、鉬和鉻相結(jié)合以有利于在基體中得到足夠量的初生沉淀的MsX-碳化物。這種碳化物的目的是能給材料以其所期望的耐磨性。此外，它們有助于使鋼具有精細(xì)粒狀的結(jié)構(gòu)，因為碳化物可起到限制晶粒生長(graingrowth)的作用。在本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案中，碳含量在1.06-1.10%之間。在某種程度上，碳可被氮代替，如果氮氣用作霧化和保護(hù)用的介質(zhì)時，例如氮可在制造過程中如在霧化中加入到材料中。因此，通過粉末冶金制造方法可得到在鋼中至多約0.3%的氮含量。因此，應(yīng)理解鋼中形成的碳化物還可包含一定量的氮，這意味著術(shù)語"碳化物"也應(yīng)包含碳氮化物和/或氮化物。硅應(yīng)以至少0.7。/。的含量存在，目的是使鋼達(dá)到所需的硬度、韌性和研磨耐久性的結(jié)合。然而增加硅含量可導(dǎo)致在消耗次生沉淀的碳化物(如MC-和M2C-碳化物)的情況下增加初生沉淀的M6C-碳化物的量。大量硅也會不利地影響回火后的硬度，這意味著所述鋼優(yōu)選應(yīng)包含不大于2%、更優(yōu)選不大于1.5%、最優(yōu)選不大于1.0%的Si。在本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案中，硅含量為0.7-0.9%,更優(yōu)選0.75-0.85%，最優(yōu)選0.78-0.82%。錳也可以主要以冶金熔體工藝中的殘留產(chǎn)物存在，其中錳具有通過形成硫化錳而使含硫雜質(zhì)失去作用的已知效應(yīng)。錳在所述鋼中的最大含量為3.0%,優(yōu)選不大于0.5%，標(biāo)稱約0.4%的錳。硫在所述鋼中可以作為制備鋼的殘留物存在，在含量至多為800ppm時，不影響鋼的機(jī)械性能。硫可以故意地加入作為合金元素，最多為1%,從而有助于改善機(jī)械性育b。磷也在所述鋼中作為制造鋼的殘留物存在，在含量至多為800ppm時，不影響鋼的機(jī)械性能。鉻在所述鋼中應(yīng)以至少3%的含量存在，優(yōu)選為至少3.5%,以使當(dāng)溶解在鋼的基體中時在硬化和回火后有助于使鋼達(dá)到足夠的硬度和韌度。鉻也可以通過包含在初生沉淀的硬相顆粒中以有利于鋼的耐磨性，硬相顆粒主要是MsX-碳化物。其他的初生沉淀的碳化物也含有鉻，然而不在相同的程度。然而太多的鉻將產(chǎn)生殘余的奧氏體的風(fēng)險，其是難以轉(zhuǎn)變的，特別是在與大量硅結(jié)合時。因此所述鋼最多不應(yīng)含有大于5%、優(yōu)選不大于4.5%的鉻。在一個優(yōu)選的實施方案中所述鋼含有3.7-4.0%的鉻。鉬和鴒正象鉻那樣在硬化和回火后有利于鋼的基體得到足夠的硬度和韌度。鉬和鎢也能包含在初生沉淀的M6X型的碳化物中并且如此其將有利于鋼的耐磨性。其他的初生沉淀的碳化物也含有鉬和鴒，然而不在相同的程上鉬和鴒可以部分地或完全地互相替代，這意味著鴒可以被一半的鉬量替代，或鉬可以被雙倍的鎢量替代。高含量的硅可導(dǎo)致在馬氏體中鉬的缺失，且也導(dǎo)致硬化后鴒缺失至一定程度，這將導(dǎo)致硬化和回火條件下硬度減少。然而已表明，對本發(fā)明的鋼尤其是考慮鋼中硅的含量，并使鉬的含量遠(yuǎn)大于鎢的含量是有利的，從而所述鋼可得到所需量的次生沉淀的碳化物。因此，所述鋼中鉬的含量應(yīng)在4-14%的范圍，更優(yōu)選6-12%,且合適地為9-10%。所述鋼中鴒的含量應(yīng)為最多5%,更優(yōu)選1-3%，且合適地為1.2-1.9%。在一個優(yōu)選的實施方案中，所述鋼包含9.2-9.7%的鉬和1.3-1.7%的鎢。鈷在所述鋼中的任選存在取決于鋼的用途。對于鋼通常在室溫下使用或通常在使用中不加熱到特別高的溫度下的應(yīng)用，那么鋼不應(yīng)含有故意加入的鈷，因為鈷減小鋼的韌性。假如所述鋼用于薄片切削(chipcutting)工具中，對此熱硬度是重要的，則對此合適的是含有大量的鈷，在這情況下其可有至多15%的含量，更優(yōu)選不大于12%。為獲得期望的熱硬度，合適的鈷含量為7.5-9%。在一個優(yōu)選的實施方案中，所述鋼包含7.7-8,2%的鈷。釩在所述鋼中的含量應(yīng)為至少0.5和至多4%,以與碳一起形成非常硬的碳化釩，即MC-型硬材料。為避免較大的MC-碳化物對鋼的可磨性的不利影響，所述鋼應(yīng)優(yōu)選不含大于2.5%、更優(yōu)選不大于1.5%的釩。為獲得期望的次生^/f匕，所述鋼應(yīng)包含至少0.9%的釩。在一個優(yōu)選的實施方案中，所述鋼包含1.1-1.2%的釩。任選地，釩可以完全或部分被鈮替代，但適合地所述鋼不包含任何慎重加入的鈮，因為在鋼制件中其會使廢料處理復(fù)雜化。此外，根據(jù)本發(fā)明的鋼不應(yīng)含有任何故意加入的附加合金元素。銅、鎳、錫和鉛以及碳化物形成物，如鈦、鋯和鋁可允許的總量不大于1%。除了這些元素和上述的元素外，所述鋼除了含有不可避免的雜質(zhì)和其他從鋼的冶金熔體處理中得來的殘留物外不再含有其他的元素。本發(fā)明的鋼優(yōu)選通過熱等靜壓制制造。由金屬粉末填充套管(capsule)。優(yōu)選預(yù)合金化該金屬粉末，但也可使用不同粉末的混合物以使最終的鋼包含合適量的合金元素。填充之后，密封該套管。之后將該套管以冷等靜壓機(jī)例如AseaQI100壓制，壓力為至少1000巴，優(yōu)選約4000巴。之后將該套管放置在預(yù)熱爐內(nèi)，其中溫度逐步上升至溫度900-1250。C,例如1130。C，而不經(jīng)受任何外部施加的壓力。預(yù)熱之后，將該套管轉(zhuǎn)移至熱等靜壓機(jī)，例如HIPenAseaQI80，其中施加的壓力至少高于500巴，例如1000巴，溫度為900-1250°C，例如1150。C?？刂茰囟纫允共牧显跊]有液相存在的情況下固結(jié)。無液相存在下的材料固結(jié)限制了碳化物的生長，從而增加可磨性和邊緣強(qiáng)度。(例如通過使用擠壓在無液相存在情況下也可實現(xiàn)材料的固結(jié)。)此時鋼材就完成了，可進(jìn)行制鋼工業(yè)中常使用的進(jìn)一步的處理，如鍛造、軋制、回火等。本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識到，冷等靜壓步驟和隨后的預(yù)熱步驟的使用主要是因為經(jīng)濟(jì)原因，將密封的套管直接轉(zhuǎn)移至熱等靜壓機(jī)而不進(jìn)行之前的冷壓或預(yù)熱也是非常良好的。顯微組織根據(jù)本發(fā)明的鋼應(yīng)具有不大于8體積％，優(yōu)選不大于5體積％，和更優(yōu)選不大于3體積。/。的MC-碳化物的含量，其中至少80%，優(yōu)選至少90%，和更優(yōu)選至少95%的MC-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最長伸長方向上不大于4(im，優(yōu)選不大于3.5(am,和更優(yōu)選不大于3pm。就M6C-碳化物-形成元素鉻、鉬和鉤而言所述鋼的組成也應(yīng)是平衡的，以使所述鋼中的MsC-碳化物的含量不大于25體積％，優(yōu)選不大于20體積％,和更優(yōu)選不大于17體積％,其中至少80%,優(yōu)選90%,和更優(yōu)選至少95%的M6C-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最長伸長方向上不大于9pm，優(yōu)選不大于7pm,和更優(yōu)選不大于5jjm。在本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案中，所述高速鋼的特征為具有不大于3體積％的MC-碳化物的含量，其中至少99%的MC-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最長伸長方向上不大于3.5^im;且具有M6C-碳化物的含量不大于17體積％，其中至少99%的M6C-碳化物的碳化物尺寸在^友化物的最長伸長方向上不大于7pm，優(yōu)選不大于5pm。根據(jù)本發(fā)明的高速鋼在其軟退火的條件下具有的Brinell硬度為約250-270HB,其可與常規(guī)制造的HS2-9-l-8型高速鋼相比，這是重要的，因為其證實該材料應(yīng)和常規(guī)制造的HS2-9-l-8型材料一樣，易用于輕型機(jī)械(如具有刀具、車削(tum)和鉆頭的研磨機(jī))。根據(jù)本發(fā)明的鋼具有一種顯微組織，其在硬化和回火的條件下由含有MC-碳化物和M6C-碳化物的回火的馬氏體的組織構(gòu)成，MC-碳化物和M6C-碳化物在馬氏體中均勻分布，其通過由1100-1200。C之間的奧氏體化溫度冷卻至室溫并在500-650。C的溫度下回火以硬化產(chǎn)物而得到。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域修改回火工序以獲得期望的目的性能的組合。如果鋼用于雙金屬鋸片，合適地使用600-650。C的回火溫度和0.5-10分鐘的回火時間。如果鋼用于其它類型的切削作業(yè)，例如用于制造鉆頭、銑刀、鋸或其它整體工具，適合使用500-600。C的回火溫度和0.5-4小時的回火時間。所謂"整體工具"是指由單一材料制造的工具，但它可以具有其它一些材料涂覆的表面作為相對薄的表面層，這些材料如氮化鈦、氮化鋁鈦。通過這種熱處理，可使鋼獲得一種顯^t組織，該顯微組織使鋼具有良好的強(qiáng)度并結(jié)合有良好的硬度、改善的韌性、壽命和可磨性。在硬化和回火條件下可獲得65-71HRC的硬度，其比目前已知的切削應(yīng)用的高速鋼高l-2HRC單位。實驗內(nèi)容在大規(guī)模試驗中制造10噸的高速鋼(鋼A)，通過氮氣霧化由該鋼制造鋼粉末。從該粉末制造套管，該套管通過熱等靜壓(HIP:ing)壓制。該鋼與參比材料(鋼B)對比，參比材料為常規(guī)制造的HS2-9-l-8型材料。測試材料的化學(xué)組成如下表1所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>圖1中的圖顯示本發(fā)明的鋼相對參比材料HS2-9-l-8的硬度作為回火溫度的函數(shù)。由圖可清楚得出，本發(fā)明的材料當(dāng)在1100-1200。C下硬化和在500-580。C下回火，3xl小時，則得到65-71HRC的硬度。根據(jù)本發(fā)明的所有鋼具有比參比材料高1-2HRC單位的硬度。在650。C的回火溫度也能得到65-71HRC的硬度，但其具有相對短的回火時間。圖2中的圖顯示韌性作為硬度的函數(shù)，且在這方面同樣清楚的是根據(jù)本發(fā)明的高速鋼在相當(dāng)?shù)目箾_擊性強(qiáng)度下具有比參比材料更好的硬度，或在相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度下具有更好的耐沖擊性。圖3中的圖顯示對本發(fā)明的高速鋼在1180。C硬化和在560。C回火3xl小時后，硬度作為Si含量的函數(shù)，且清楚地發(fā)現(xiàn)了最佳Si含量為0.7-0.9重量%。在本發(fā)明的高速鋼和參比材料之間鋸的比較試驗中，還顯示由本發(fā)明的高速鋼制造的帶鋸用鋸片在鋸稱為EMATII(申請人的表示)的低合金高速鋼試驗中具有約30%的更長壽命，在鋸不銹鋼試驗中具有至多約20%的更長壽命，這應(yīng)該看做是出人意料的好結(jié)果。因此，根據(jù)本發(fā)明的鋼使高速鋼具有顯著改善的性能，其中最重要的是使所述鋼適用于切削應(yīng)用。權(quán)利要求1.粉末冶金制造的高速鋼，其在不存在液相的情況下固結(jié)，其具有的化學(xué)組成按重量％計包括0.6-2.1C3-5Cr4-14Mo最多5W最多15Co0.5-4V，余量的Fe和制造材料中的雜質(zhì)，其特征在于其具有Si的含量范圍為0.7＜Si≤2。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼，其特征在于其包含不大于1.5Si，更優(yōu)選不大于1.0Si。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速鋼，其特征在于其包含0.7-0.9Si。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速鋼，其特征在于其包含0.75-0.85Si。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速鋼，其特征在于其包含0.78-0.82Si。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼，其特征在于其包含最多1.5C。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速鋼，其特征在于其包含1.0-1.15C。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼，其特征在于其包含3.5-4.5Cr。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高速鋼，其特征在于其包含3.7-4.0Cr。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼，其特征在于其包含6-12Mo。11.根據(jù)權(quán)利要求IO所述的高速鋼，其特征在于其包含9-10Mo。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高速鋼，其特征在于其包含9.2-9.7Mo。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼，其特征在于其包含l-3W。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的高速鋼，其特征在于其包含1.2-1.9，優(yōu)選1.3-1.7W。15..根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼，其特征在于其包含最多12Co。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的高速鋼，其特征在于其包含7.5-9.0Co。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的高速鋼，其特征在于其包含7.7-8.2Co。18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼，其特征在于其包含0.9-2.5V。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的高速鋼，其特征在于其包含最多1.5V。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的高速鋼，其特征在于其包含1.1-1.2V。21.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的高速鋼，其特征在于MC-碳化物的含量不大于8體積％、優(yōu)選不大于5體積％、更優(yōu)選不大于3體積％,其中至少80%、優(yōu)選至少90%、更優(yōu)選至少95%的MC-碳化物在該碳化物最長伸長方向上的碳化物尺寸不大于4nm、優(yōu)選不大于3.5pm、更優(yōu)選不大于3pm，且M6C-碳化物的含量不大于25體積％、優(yōu)選不大于20體積％、更優(yōu)選不大于17體積％，其中至少80%、優(yōu)選90%、更優(yōu)選至少95%的M6C-^碳化物在該碳化物最長伸長方向上的碳化物尺寸不大于9nm、優(yōu)選不大于7pm、更優(yōu)選不大于5pm。22.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的高速鋼，其特征在于MC-碳化物的含量不大于3體積％,其中至少99%的MC-碳化物在該碳化物最長伸長方向上的碳化物尺寸不大于3.5且M6C-碳化物的含量不大于17體積％,其中至少99%的M6C-碳化物在該碳化物最長伸長方向上的碳化物尺寸不大于7|iim,4尤選不大于5)im。23.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的高速鋼，其特征在于其在1100-1200。C的溫度下硬化。24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的高速鋼的在雙金屬鋸片中的用途，其特征在于所述鋼在回火溫度600-650。C、回火時間0.5-10分鐘內(nèi)回火。25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的高速鋼在制造鉆頭、銑刀、鋸或其它切削作業(yè)用的整體工具中的用途，其特;f正在于所述鋼在回火溫度500-600°C、回火時間0.5-4小時內(nèi)回火。26.制備粉末冶金制造的高速鋼的方法，該鋼具有的化學(xué)組成按重量％計包括0.6-2.1C3-5Cr4-14Mo最多5W最多15Co0.5-4V，0.7-2Si,余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)，所述方法包括以下步驟a)用金屬粉末填充套管，該金屬粉末包含與所述鋼的化學(xué)組成相應(yīng)的鐵和合金元素，b)密封該套管，c)在熱等靜壓溫度下在熱等靜壓機(jī)中熱等靜壓制該套管，在不存在液相的情況下固結(jié)該鋼材料。27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中在步驟b)和步驟c)之間將該套管在冷等靜壓機(jī)中冷等靜壓制。28.根據(jù)權(quán)利要求26或27所述的方法，其中在步驟c)之前將該套管在預(yù)熱爐中預(yù)熱，逐漸增加爐溫至接近步驟c)中使用的熱等靜壓溫度。全文摘要本發(fā)明涉及具有以下化學(xué)組成的高速鋼，其包含，以重量％計0.6-2.1C，3-5Cr，4-14Mo，最多5W，最多15Co，0.5-4V，余量的鐵和制造材料中的雜質(zhì)，該鋼是粉末冶金制造的，且具有的Si含量為0.7＜Si≤2。文檔編號C22C33/02GK101258258SQ200680032836公開日2008年9月3日申請日期2006年9月7日優(yōu)先權(quán)日2005年9月8日發(fā)明者斯蒂芬·森丁申請人:伊拉斯蒂爾·克羅斯特公司