專利名稱：調節(jié)鋼的導熱能力的方法，工具鋼、特別是熱作鋼，和鋼制品的制作方法
調節(jié)鋼的導熱能力的方法，工具鋼、特別是熱作鋼，和鋼制
口
叩本分案申請是基于申請?zhí)枮?00780032677. I的發(fā)明名稱為“調節(jié)鋼的導熱能力的方法，工具鋼、特別是熱作鋼，和鋼制品”的原始中國專利申請的分案申請。本發(fā)明涉及一種調節(jié)鋼的導熱能力的方法，涉及一種工具鋼、特別是熱作鋼以及涉及工具鋼的應用。此外本發(fā)明還涉及一種鋼制品。熱作鋼是合金化的工具鋼，它們除了鐵之外作為合金元素以不同比例特別含有碳、絡、鶴、娃、鎳、鑰、猛、纟凡和鉆。由熱作鋼能夠制得熱作鋼制品，例如適于特別是在壓鑄中、在輾軋中或在模鍛中 加工材料的工具。這類工具的例子是輾軋模、鍛造工具、壓鑄模、沖壓桿或類似物，它們在高工作溫度下必須具有特別的機械強度性能。熱作鋼的另一應用領域是用于注塑塑料的工具。工具鋼、特別是熱作鋼，和由其制作得的鋼制品的重要功能在于，在用于工業(yè)過程中時要保證能足夠地導出先前輸入的或者在過程中本身產生的熱。由熱作鋼制得的熱作工具，除了在較高工作溫度下的高機械穩(wěn)定之外還必須具有良好的導熱能力以及高耐熱損耗性。熱作鋼的其他重要性能，除了足夠的硬度和強度之外還有在高工作溫度下的高熱硬度以及高耐損耗性。用于制備工具的熱作鋼的高導熱能力對于某些應用而言是具有特別意義的，因為這能帶來顯著的周期時間縮短。由于用于熱成型工件的熱成型裝置的操作成本較為昂貴，所以通過減少周期時間能夠實現(xiàn)成本的顯著節(jié)省。熱作鋼的高導熱能力在高壓壓鑄時也是有益的，因為其中所用的鑄模由于強烈提高的熱疲勞強度而具有顯著更長的使用壽命。通常用于制備工具的工具鋼一般具有在室溫下數(shù)值為18至24W/mK的導熱能力。通常，現(xiàn)有技術中已知的熱作鋼的導熱能力為約16至37W/mK。由EP0632139A1公開了例如一種熱作鋼，其在不超過約1100°C的溫度下具有相對較高的超過35W/mK的導熱能力。該文獻中公開的熱作鋼除了鐵和不可避免的雜質之外還
含有O. 30 至 O. 55 重量 ％ 的 C ；少于O. 90重量％的Si ；不超過I. O重量％的Mn ；2. O 至 4. O 重量 ％ 的 Cr ；3. 5至 7重量 ％的 Mo;O. 3至I. 5重量％的元素釩、鈦和鈮中的一種或多種。傳統(tǒng)的熱作工具鋼一般具有超過2重量％的鉻含量。鉻是一種相對廉價的碳化物形成劑并且還提供熱作鋼以良好的耐氧化性。此外，鉻還形成很細微的二次碳化物，從而使得對于傳統(tǒng)的熱作工具鋼，機械強度對韌性之比非常良好。由德國專利DE1014577B1公開了一種使用硬化性鋼合金的制備熱作工具的方法。該專利特別涉及一種制備操作中硬化的熱作工具的方法，特別是用于熱壓鍛造的印模(Matrize)，其具有高抗裂強度和高斷裂強度以及在靜態(tài)壓力負荷和在熱作用下具有高的屈服點。在該文獻中所描述的熱成型鋼還具有的特點是簡單且相當廉價的化學組成(O. 15-0. 30%的C，3. 25-3. 50%的Mo，不含鉻)和易支配性。其中關鍵地探討了制備熱壓模的最佳方法，包括其所屬的灼燒處理(硬化)。并沒有闡述取決于化學組成的特殊性能。CH481222涉及一種具有良好的低溫模Il擠壓性(Kalteinsenkbarkeit)且用于制備工具的鉻-鑰-釩-合金化的熱作鋼，例如壓印沖頭和印模。其給出的啟示是，合金元素的協(xié)調——特別是鉻(1.00M 3. 50%的Cr)，鑰(O. 50至2. 00%的Mo)和釩(O. 10至O. 30%的V)—對于所期望的性質有著重要影響，例如低的耐灼燒性(55kp/mm2)、良好的流動性、良好的導熱能力等。日本公開文獻JP4147706致力于通過心軸(Dorn)的尺寸和通過合金的化學組成(O. I 至 O. 4% 的 C，O. 2 至 2. 0% 的 Mn，O 至 O. 95% 的 Cr，O. 5 至 5. 0% 的 Mo，O. 5 至 5. 0% 的 W)而改善心軸的耐損耗性用以制備無縫鋼管。特別的用以提高鋼的導熱能力的措施不是該文獻的主題。·
日本公開文獻JP2004183008記載了一種價廉的用以鑄造塑料的工具的鐵素體-珠光體鋼合金(O. 25至O. 45%的C，O. 5至2. 0%的Mn，O至O. 5%的Cr)。其中重要的是可加工性和導熱能力的最佳比。JP2003253383中描述的鋼包括預經硬化的用于塑料注塑的工具鋼，其具有鐵素體-珠光體基本結構(O. I至O. 3%的C，O. 5至2. 0%的Mn，O. 2至2. 5%的Cr，O至O. 15%的Mo，O. OI至O. 25%的V )，其中重要的是突出的可加工性和可焊接性。為了提高工具鋼(其特點是軋壓時具有高表面溫度)中Acl-轉變溫度，以及獲得卓越的可加工性和很小的流變應力，在JP9049067中推薦對化學組成進行特殊化處理(O. 05至 O. 55% 的 C、0. 10 至 2. 50% 的 Μη、0 至 3. 00% 的 Cr、0 至 I. 50% 的 Mo、0 至 O. 50% 的 V)并特別提高硅含量(O. 50至2. 50%的Si)。公開文獻CH165893涉及一種鐵合金，其特別適于熱作的工具(鍛模、印?；蝾愃莆?和具有少鉻的(直至不含鉻)以及含鎢-鈷-鎳的(優(yōu)選含有鑰和釩添加物)化學組成。下降的鉻含量或完全棄用鉻作為合金元素，負責實質上改善性能以及將有益的合金性能相結合。其中發(fā)現(xiàn)，鉻含量的很少量下降就已能相比于添加大量的W、Co和Ni而顯著更大地影響所期望的性能(例如很高的熱抗拉斷強度、韌性和對于溫度波動的不敏感性和由此帶來的良好導熱能力)。由歐洲專利EP0787813B1公開了一種具有低Cr和Mn含量且在高溫下具有卓越強度的耐熱的鐵素體鋼。前述公開文獻中公開的發(fā)明的目的在于，提供一種具有低鉻含量的耐熱的鐵素體鋼，且其在很長時期于高溫下的條件下具有更好的持久強度以及具有更好的韌性、可加工性和可焊接性，即使是對于厚產品。通過描述有關形成碳化物(粗糙化(Vergroberung))、析出和混晶凝固的合金影響，提出了穩(wěn)定化鐵素體鋼的結構必要性。將Cr含量下降到低于3. 5%的原因是，在高于550°C的溫度下由于Cr-碳化物的粗糙化而使得持久強度的減小受到抑制以及改善韌性、可加工性和導熱能力。但是至少O. 8%的Cr被視作是保持高溫下鋼的氧化韌性和腐蝕韌性的前提。由DE19508947A1公開了一種耐損耗的、耐回火的和耐熱的合金。該合金特別旨在熱固結成型技術和熱成型技術中的熱作工具的用途并且特征在于有著很高的鑰含量(10至35%)和鎢含量(20至50%)。此外，在前述公開文獻中所述的發(fā)明涉及一種簡單而廉價的制備方法，其中首先由熔體或者以粉末冶金途徑生產得到合金。如此大含量的Mo和W的原因是通過混晶硬化和通過形成碳化物(或金屬間相)而提高耐回火性和耐熱性。另外，鑰提高了導熱能力并減小了合金的熱延展性。最后，在該公開文獻中闡述了該合金適于在其他組成的基體之上生產表面層(激光焊接、電子焊接、等離子輻射焊接、涂覆焊接)。德國專利DE4321433C1涉及一種用于熱作工具的鋼，例如在高達1100°C的溫度下用于材料的固結成型(Urformung)、成型和加工(特別是在壓鑄、輾軋、模鍛過程中或者作為割刀)的那些。特征是，在400至600°C的溫度范圍內鋼具有超過35W/mK的導熱能力(盡管它們原則上隨著合金含量升高而減小)并同時具有高耐損耗性(超過700N/mm2的拉伸強度)。該非常良好的導熱能力一方面歸因于提高的鑰比例(3. 5至7. 0%的Mo)且另一方面歸因于最大的4. 0%的鉻比例。
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JP61030654涉及具有很高的熱抗裂強度和熱斷裂強度以及很大導熱能力的鋼的用途，用作為用于制備鋁-連續(xù)鑄造設備中的輥子護套的材料。這里也討論了，在熱抗裂強度或熱斷裂強度和導熱能力受到合金組成影響的方面的相反的傾向。特別是在導熱能力方面，超過O. 3%的硅含量和超過4. 5%的鉻含量被視作是不利的。描述了用以調節(jié)由該發(fā)明的鋼合金制得的輥套的經硬化的馬氏體微結構的可能途徑。EP1300482B1涉及一種熱作鋼，特別是用于在提高的溫度下用于成型過程的工具的熱作鋼，其具有同時出現(xiàn)的以下性能提高的硬度、強度和韌性以及良好的導熱能力、在提高的溫度下的改善的耐損耗性和在碰撞類負荷下的使用壽命延長。描述了，在熱調質過程中通過窄范圍內的碳(O. 451至少O. 598%的C)以及形成特種碳化物(sondercarbid-)和一碳化物的元素(4. 21至4. 98%的Cr、2. 81至3. 29%的Mo、0. 41至O. 69%的V)的特定濃度，能夠促使一種理想的可混晶硬化性并且能夠很大程度地抑制以基體硬度為代價的碳化物硬化過程或者是硬度提高性的粗糙碳化物析出過程。通過減少碳化物比例而改善導熱能力可能基于的是界面動力學和/或碳化物的性能?，F(xiàn)有技術中已知的工具鋼、特別是熱作鋼和由此制得的鋼制品的缺陷是，它們對于某些應用領域而言只具有不足夠的導熱能力。另外，迄今為止不可能有目的地調節(jié)鋼、特別是熱作鋼的導熱能力并因此特定地適于各種應用目的。在此，本發(fā)明的任務在于提供一種方法，借助于該方法能夠實現(xiàn)有目的地調節(jié)鋼、特別是熱作鋼的導熱性。此外，本發(fā)明的任務還在于，提供一種工具鋼、特別是熱作鋼以及鋼制品，且它們具有相比于現(xiàn)有技術中已知的工具鋼(特別是熱作鋼)或者鋼制品更高的導熱能力。該任務在方法方面通過具有權利要求I的特征的方法和通過具有權利要求2的特征的方法解決。在工具鋼方面，本發(fā)明所基于的任務通過具有權利要求4的特征的工具鋼(特別是熱作鋼)、通過具有權利要求5的特征的工具鋼(特別是熱作鋼)和通過具有權利要求6的特征的工具鋼(特別是熱作鋼)來解決。在鋼制品方面，本發(fā)明所基于的任務通過具有權利要求25的特征的鋼制品來解決。從屬權利要求涉及的是本發(fā)明的有益的進一步改進。根據權利要求1，本發(fā)明的用于調節(jié)鋼、特別是熱作鋼的導熱能力的方法，其特征在于，以特定的冶金方式產生鋼的內部結構，該結構的碳化物成分具有特定的電子密度和聲子密度和/或該結構的晶體結構具有通過有目的地產生的晶格缺陷而確定的、針對聲子流動和電子流動的平均自由程(Wegljinge )。本發(fā)明方案的優(yōu)點在于，可以通過以前述的方法以特定的冶金方式產生鋼的內部結構而有目的地將鋼的導熱能力調整到所期望的值。本發(fā)明的方法適于例如工具鋼和熱作鋼。根據權利要求2，本發(fā)明的用于調節(jié)、特別是用于提高鋼、特別是熱作鋼的導熱能力的方法，其特征在于，以特定的冶金方式產生鋼的內部結構，該結構在其碳化物成分中具有提高的電子密度和聲子密度和/或該結構通過在碳化物和包裹其的金屬基體的晶體結構中的少量的缺陷而具有針對聲子流動和電子流動的增大的平均自由程。通過本發(fā)明的這些措施能夠相對于現(xiàn)有技術中已知的鋼以特定的方式調節(jié)鋼的導熱能力并特別是相對于已知的熱作鋼而本質上提高鋼的導熱能力。在一個優(yōu)選的實施方式中，將室溫下鋼的導熱能力調整到大于42W/mK,優(yōu)選大于48W/mK，特別是調整到大于55W/mK。
根據權利要求4，本發(fā)明的工具鋼、特別是熱作鋼的特征在于具有以下組成O. 26 至 O. 55 重量 ％ 的 C ；〈2 重量 ％ 的 Cr ；O 至 10 重量 ％ 的 Mo ；O至15重量％的W ；其中，W和Mo的含量總和為I. 8至15重量% ；形成碳化物的元素Ti、Zr、Hf、Nb、Ta,其單獨或總和的含量為O至3重量％ ；O至4重量％的V ；O至6重量％的Co ；O 至 I. 6 重量 ％ 的 Si ；O至2重量％的Mn ；O 至 2. 99 重量 ％ 的 Ni ；O至I重量％的S ；余量的鐵和不可避免的雜質。因為現(xiàn)已表明，可以至少部分地通過所謂的碳當量成分氮(N)和硼(B)來代替碳，所以一種具有權利要求5的特征或具有權利要求6的特征且其具有以下所述的化學組成的工具鋼、特別是熱作鋼，提供了本發(fā)明所基于的任務的等價解決方案。根據權利要求5，本發(fā)明的工具鋼、特別是熱作鋼的特征在于以下組成 總和為O. 25至I. 00重量%的C和N ;〈2 重量 ％ 的 Cr ；O 至 10 重量 ％ 的 Mo ；O至15重量％的W ；其中W和Mo的含量總和為I. 8至15重量％ ；形成碳化物的元素Ti、Zr、Hf、Nb、Ta,其單獨或總和的含量為O至3重量％ ；O至4重量％的V ；O至6重量％的Co ；O 至 I. 6 重量 ％ 的 Si ；
O至2重量％的Mn ； O 至 2. 99 重量 ％ 的 Ni ；O至I重量％的S ；余量的鐵和不可避免的雜質。
根據權利要求6，另一種本發(fā)明的工具鋼、特別 是熱作鋼的特征在于以下組成總和為O. 25至I. 00重量%的C、N和B ;〈2 重量 ％ 的 Cr ；O 至 10 重量 ％ 的 Mo ；O至15重量％的W ；其中W和Mo的含量總和為I. 8至15重量％ ；形成碳化物的元素Ti、Zr、Hf、Nb、Ta,其單獨或總和的含量為O至3重量％ ；O至4重量％的V;O至6重量％的Co ；O 至 I. 6 重量 ％ 的 Si ；O至2重量％的Mn ；O 至 2. 99 重量 ％ 的 Ni ；O至I重量％的S ；余量的鐵和不可避免的雜質。本發(fā)明工具鋼的一個特別的優(yōu)點首先在于相比于現(xiàn)有技術已知的工具鋼和熱作鋼有著強烈提高的導熱能力。很明顯，本發(fā)明的工具鋼除了鐵作為主成分之外還以上述范圍含有元素C (或者根據權利要求5為C和N，根據權利要求6為C、N和B)、Cr、Mo和W以及不可避免的雜質。因此其余合金元素(合金伴隨元素)是工具鋼的任選成分，因為它們的含量也能任選地為O重量％。在此所述的解決方案的一個重要方面在于，使在固體溶液狀態(tài)中的碳和優(yōu)選還有鉻很大程度地從鋼基體中免除，并且Fe3C—碳化物被具有更高導熱能力的碳化物所代替。鉻可以只是通過使其根本不存在而從基體中免除。碳可以特別與碳化物形成劑相結合，其中Mo和W是廉價的元素并且無論作為元素還是作為碳化物都具有相對較高的導熱能力。針對工具鋼和特別針對熱作鋼的量子力學模擬模型能夠表明，固體溶液狀態(tài)中的碳和鉻導致基體的扭曲(Verzerrung)，這就致使聲子的平均自由程縮短。結果是更大的彈性模量和更高的熱膨脹系數(shù)。碳對于電子散射和聲子散射的影響同樣借助于合適的模擬模型來檢驗。因此，能夠證實到在碳以及鉻方面缺乏的基體在提高導熱能力上的優(yōu)點?；w的導熱能力由電子流主導，而碳化物的傳導能力由聲子確定。在固體溶液狀態(tài)下，鉻對于通過電子流獲得的導熱能力具有很不利的作用。如權利要求4，5和6的本發(fā)明的工具鋼(特別是熱作鋼)能夠具有在室溫下超過42ff/mK的導熱能力、優(yōu)選超過48W/mK的導熱能力、特別是超過55W/mK的導熱能力。現(xiàn)已驚奇地發(fā)現(xiàn)，還能夠實現(xiàn)數(shù)值超過50、特別是約55至60W/mK甚至更高的導熱能力。本發(fā)明的熱作鋼的導熱能力因此能夠是現(xiàn)有技術中已知的熱作鋼的幾乎兩倍。因此，在此所述的鋼特別也適于其中需要高導熱能力的那些應用。因此，本發(fā)明的工具鋼相比于現(xiàn)有技術中已知的解決方案的特別的優(yōu)點在于顯著改善的導熱能力。
在一個特別有益的實施方式中，工具鋼的導熱能力可通過如權利要求I至3之一的方法來調節(jié)。由此，工具鋼的導熱能力能夠特意地針對應用來調適和調節(jié)。工具鋼可以任選地含有形成碳化物的元素打、21*、!^、吣3&，且其單獨或總和的含量為不超過3重量％。元素Ti、Zr、Hf、Nb、Ta在冶金學中公知為很強的碳化物形成劑?，F(xiàn)已表明，在提高工具鋼導熱能力方面，強碳化物形成劑起到積極作用，因為它們具有更好的將固體溶液狀態(tài)中的碳從基體中去除的能力。具有高導熱能力的碳化物還能夠進一步加強工具鋼的傳導能力。由冶金學已知，以下元素是碳化物形成劑，并且它們的親碳性按照逐步增強的順序排列Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Ta、Zr、Hf。特別有益的是，在該情況下產生相對較大且因此縱向膨脹的碳化物，因為工具鋼的整體導熱能力遵循具有不利的極限效應(Grenzeffekten)的混合定律。元素對碳的親和性越強，則形成相對較大的初生碳化物顆粒的趨勢也就越大。但是，大的碳化物會在一定程度上不利地影響工具鋼的一些機械性能，特別是其韌性，從而使得對于工具鋼的每種應用目的而言都必須找尋到介于所期望的機械性能和熱性能之間的一個合適的折中點。
任選地，工具鋼可以含有含量為不超過4重量％的合金元素釩。如上已經闡述的，釩是微細碳化物網絡的基礎。由此，能夠針對一些應用目的而改善工具鋼的許多機械性能。相比于鑰，釩的特點不僅在于其更高的親碳性，而且還具有其碳化物具有更高導熱能力的優(yōu)點。此外，釩還是相對較為廉價的元素。但是釩相比于鑰的缺點是，留存在固體溶液狀態(tài)中的釩會對工具鋼的導熱能力產生顯著更大的消極影響。出于該理由，將工具鋼只與釩合金化是不利的。任選地，工具鋼可以含有一種或多種用于固體溶液凝固的元素，特別是Co、Ni、Si和/或Mn。因此，任選地存在使工具鋼具有含量為不超過2重量％的Mn的可能性。為了改善工具鋼的耐高溫性，根據具體的使用，例如不超過6重量％的Co可以是很有利的。在另一個優(yōu)選的實施方式中，工具鋼可以具有含量不超過3重量％、優(yōu)選含量不超過2重量％的Co。為了提高低溫下工具鋼的韌性，可以任選地設計使熱作鋼具有含量為不超過I. 6
重量％的Si。為了改善工具鋼的可加工性，工具鋼可以任選地含有含量不超過I重量％的硫S。為了簡化對于本發(fā)明的本質理解，以下將詳細論述針對具有高導熱能力的工具鋼(熱作鋼)的新型冶金構造方案(它們也是本發(fā)明方法的基礎)的一些關鍵要點。對于所給出的圖I所示的貫穿工具鋼的金相學預制樣品的橫截面，可以在光學顯微或光柵電子顯微地觀察結構體微結構時，借助光學照相分析技術定量地獲得碳化物A。和基體材料A111的面積比。其中，將大面積的碳化物稱為初生碳化物I，將小面積的碳化物稱為二次碳化物2。背景中所示的基體材料在圖I中用附圖
標記3表示。在忽略其他微結構成分(例如夾雜物)的情況下，根據如下等式非常近似地確定工具鋼整個表面Attrt的面積Atot = Affl + Ac通過簡單的算術變換，得到如下等式(Am/AtJ+ (AJAtJ=I該等式的被加數(shù)適合作為混合定律方程(Mischungsregelansatz)的加權因子。
此時由于基體材料3和碳化物1，2在其導熱能力方面具有不同的性質，所以根據該混合調節(jié)方程的該體系的整體總導熱能力λ int可以描述如下λ int = (A11ZAtot) * λ m+ (Ac/Atot) * λ c其中，λ ^是基體材料3的導熱能力，而λ c是碳化物1，2的導熱能力。該公式毫無疑問地是一種簡化了的從體系角度來看的方式，但是其完全適于從現(xiàn)象來理解本發(fā)明。可以例如使用所謂的有效介質理論(EMT)來對總體系的積分導熱能力進行符合實際的數(shù)學模型化。利用這種方案(Ansatz)，將工具鋼的微結構組成描述為由反映碳化物性質的且具有各向同性的導熱能力的球狀單結構元素(其插入到具有不同的、但是同樣是各向同性的導熱能力的基體材料中)組成的復合體系Aint= λ m + 入 int* (3* ( λ c_ λ J / (2* λ int+λ c) 在該等式中，fc表示碳化物1，2的體積份數(shù)。但是該等式并非是唯一可解的并因此也只能有限地用于所針對的體系結構。如果涉及體系導熱能力Xint的最大化，則能夠從前述的混合定律原則上推導出，當各個系統(tǒng)組分入。和λπ的導熱能力都分別達到了最大化時，體系導熱能力λ int隨后也能實現(xiàn)這種最大化。對于本發(fā)明而言特別重要的是，碳化物f。的體積份數(shù)是最后對此具有決定性的，且其與兩個導熱能力λ。和λ m是更相關的。碳化物的量最后通過對機械耐受性且特別是針對工具鋼的耐損耗性所提出的針對應用的要求而定義。由此，特別在碳化物結構方面，對于根據本發(fā)明改進的工具鋼的不同的主要應用領域而獲得完全不同的設計規(guī)定。在鋁壓鑄領域，由于有關接觸的損耗機理、特別是由于磨損的損耗負荷并不突出。因此也就不必要求存在大面積的初生碳化物作為高耐損耗的微結構成分。因此，碳化物f。的體積比例主要通過二次碳化物來確定。因此f。的值相對較小。在也包括相關的加壓淬火(Presshftrtens )和模壓淬火
(Formhartens )方案的板材熱成型過程中，工具要遭受到由于有關接觸的損耗機理而引起的高負荷，無論是以粘連(adh錢siver )還是以磨損所表現(xiàn)的。因此，極其希望大面積的初生碳化物，因為它們能夠提升對于這種損耗機理的耐受性。這種初生碳化物富集的微結構的結果便是很高的f。值。不論碳化物結構如何，最后涉及的是所有體系組分的導熱能力的最大化。但是，通過針對應用地對碳化物形態(tài)(Karbidauspriigimg )進行設計規(guī)定,構成體系組分的導熱能力對于總體系的整體導熱能力的影響作用的加權。該引入的過程方式與現(xiàn)有技術已顯著不同，其中總是將導熱能力視作為整體的材料物理性能。當現(xiàn)有技術中涉及的是考慮各個合金元素對于導熱能力的影響時，所述的方式則恰恰總是通過確定整體性能而進行。迄今還不存在這種考慮，即考慮這些合金元素對于微結構形態(tài)、即對于碳化物結構的影響和對于基體和由此所得的這些微結構體系元素的物理性能變化的影響，并因此在現(xiàn)有技術中也決不存在對于工具鋼的冶金學設計構思的出發(fā)點。在這種整體的設計觀點之下，能夠確定，鉻含量的減少和鑰含量的升高會導致整體導熱能力的改善。根據這種冶金學設計方案改進的工具鋼通常具有30W/mK的導熱能力，這相對于24W/mK的導熱能力而言提高了 25%。這種提高在現(xiàn)有技術中已經被視作有效的性能改善。人們長久以來的出發(fā)點便是，進一步地減少鉻含量不可能導致導熱能力的進一步顯著改善。因為鉻含量的進一步減少另外會導致熱作鋼的抗腐蝕性下降，所以在設計新型工具鋼方面也就沒有進一步實驗和改變相應的冶金學配方。對于具有根據權利要求4、5或6所述組成的本發(fā)明的工具鋼而言，為實現(xiàn)顯著改善的導熱能力，采用一種完全新穎的冶金學構思，該構思能夠以精確定義的方式構造微結構的體系組分的導熱能力并由此顯著改善工具鋼的整體導熱能力。在此所推薦的冶金學構思的一個重要基本考慮是，優(yōu)選的碳化物形成劑是鑰和鎢，并且作為已經很小含量的溶于該碳化物中的鉻的結果，由于通過純碳化物的晶體結構中所形成的缺陷聲子的平均自由程延長了，所以熱傳遞性質受到不利地影響。利用該新穎的冶金學設計方案，能夠以有益的方式獲得室溫下高達66W/mK和更·高的熱作鋼的整體導熱能力。這超過了所有現(xiàn)有技術中已知構思的提高率的幾乎十倍。現(xiàn)有技術中所能找到的方案中沒有一個能以改善導熱能力為意圖而針對熱作鋼設計使得鉻含量可類比地減少。對于各種其中設計了與本發(fā)明所述的化學組成相類似的低鉻含量的情況，都沒有明確地涉及對導熱能力的影響，而是涉及了其他的功能意圖，例如在JP04147706A中涉及特意地在鋼表面上通過減小該區(qū)域內的抗氧化性而形成氧化層?，F(xiàn)有技術中已知，材料的純度含量越高，則其導熱能力也就越高。各種雜質——在金屬材料的情況下也即是各個合金元素的添加物——必然導致導熱能力的減小。例如純鐵具有80W/mK的導熱能力，略微摻雜的鐵則已經具有小于70W/mK的導熱能力。在鋼中，最小添加量的碳(O. 25體積百分比)和其他合金元素，例如錳(O. 08體積百分比)就已導致至多60ff/mK的導熱能力。盡管添加了其他合金元素如鑰或鎢，采用本發(fā)明的過程方法仍然能令人驚奇地實現(xiàn)高達70W/mK的導熱能力。這些預想不到的效果的原因在于，本發(fā)明的意圖是盡可能地使碳不進入溶液中的基體中，而是通過強碳化物形成劑使其結合成碳化物并且利用具有高導熱能力的碳化物?，F(xiàn)若將注意力聚焦在碳化物上，則這種關注就是聲子傳導能力，其最終決定導熱能力。若要將其改善，則要精確地在這方面結構性地產生影響。但是，有一些碳化物具有相當高的傳導電子密度，特別是具有高金屬含量如W6C或Mo3C的高熔點碳化物。在最近的研究中發(fā)現(xiàn)，已經很少量地添加鉻到如此的碳化物中即導致晶體晶格結構的顯著缺陷，并因此導致聲子流動的平均自由程顯著變長。結果是導熱能力減小。這導致明確的結論，即盡可能地減少鉻含量能導致工具鋼的導熱能力的改善。此外，要考慮將鑰和鎢作為優(yōu)選的碳化物形成劑。在上下文中，鑰是特別優(yōu)選的，因為其相比于鎢是實質上更強的碳化物形成劑?；w中缺乏鑰的效果是致使基體中更好的電子傳導能力并由此有助于進一步改善總體系的整體導熱能力。如前已經指出的，過少的鉻含量同時導致工具鋼抗腐蝕性的下降。盡管這對于特定的應用而言可能是有缺陷的，但是對于本發(fā)明所構造的工具鋼的主要應用而言，更高的氧化傾向不會成為真正的功能性缺陷，因為在此，額外的腐蝕防護作用和腐蝕防護措施終究是目前企業(yè)的生產流程的組成部分。因此，例如在用于鋁的壓鑄中時液態(tài)的鋁本身即是足夠的腐蝕防護，而在板材熱成型領域內則是為進行損耗防護而氮化的工具的表面邊界層。腐蝕防護性的潤滑劑以及冷卻劑和隔離劑同樣也部分地有助于腐蝕防護。另外，還可以電鍍或者以真空涂層法涂覆上非常薄的保護層。根據本發(fā)明將這里所述的工具鋼(特別是熱作鋼)作為用于制備鋼制品、特別是熱作工具的材料，相比于現(xiàn)有技術中已知的且迄今用作相應熱作鋼制品的材料的熱作鋼，這能提供許多的甚至有些是極其顯著的優(yōu)點。由本發(fā)明工具鋼(特別是熱作鋼)制得的工具的更高導熱能力容許例如減少工件的加工/制備時的周期時間。另一優(yōu)點在于顯著降低工具的表面溫度以及減小表面溫度梯度，由此對工具的長壽命產生顯著作用。對于工具損傷首先歸因于熱疲勞、溫度突變或熔焊的情況特別如此。特別在用于鋁壓鑄應用的工具方面就是這種情況。 同樣令人驚奇的是，本發(fā)明工具鋼(特別是熱作鋼)的其余機械性質和/或熱性質相比于現(xiàn)有技術中已知的工具鋼能夠獲得改善，或者至少保持不變。例如彈性模量能夠減小，本發(fā)明工具鋼(特別是熱作鋼)的密度相比于傳統(tǒng)的熱作鋼能夠提高和熱膨脹系數(shù)能夠減小。對于某些應用而言還能實現(xiàn)其他改善，例如高溫下的提高的機械強度或提高的抗損耗性。在一個優(yōu)選的實施方式中推薦,工具鋼具有小于I. 5重量％的Cr,優(yōu)選小于I重量％的Cr。在一個特別優(yōu)選的實施方式中，存在著工具鋼具有小于0.5重量％的Cr、優(yōu)選小于O. 2、特別小于O. I重量％的Cr的可能性。如上所闡述的，工具鋼的基體中存在固體溶液狀態(tài)中的鉻會對其導熱能力起到消極作用。這種由于工具鋼中鉻含量的升高而對導熱能力起到的消極作用的強度對于小于
O.4重量％的Cr的區(qū)間而言是最大的。對工具鋼導熱能力起到的不利影響的強度下降的細分區(qū)間(IntervalIabstufung)優(yōu)選在大于O. 4重量％但小于I重量以及大于I重量％且小于2重量％的兩個區(qū)間內。對于其中工具鋼(熱作鋼)的抗氧化性很重要的應用而言，可以例如權衡那些對于工具鋼在導熱能力和抗氧化性方面所提出的并反映為鉻的最優(yōu)化重量百分比的要求。通常，約0.8重量％的鉻提供工具鋼以良好的腐蝕防護。已經表明，添加量超過約O. 8重量％的鉻的含量，則可能導致鉻不期望地溶于碳化物中。在一個優(yōu)選的實施方式中，可以使工具鋼的鑰含量為O. 5至7重量％、特別是I至7重量％。在較廉價的碳化物形成劑中鑰具有相對較高的親碳性。此外，碳化鑰相比于碳化鐵和碳化鉻具有更高的導熱能力。另外，相比于固體溶液狀態(tài)中的鉻，固體溶液狀態(tài)中的鑰對于工具鋼的導熱能力的不利作用顯著較小。出于這些理由，鑰屬于適于大量應用的碳化物形成劑。但是，對于需要高韌性的應用而言，具有較小二次碳化物的其他碳化物形成劑，例如f凡(相比于鑰的大至200nm的晶團(Kolonien),為約I至15nm大的晶團)是更有利的選擇。在許多應用中可以通過鎢代替鑰。鎢的親碳性略小并且碳化鎢的導熱能力顯著更大。在另一特別有利的實施方式中，可以使Mo、W和V的含量總和為2至10重量％。這三種元素的含量總和在此特別取決于所期望的碳化物數(shù)量，亦即取決于各種應用要求。工具鋼、特別是熱作鋼的雜質可以包括單獨或總和的含量為最大I重量％的元素Cu、P、Bi、Ca、As、Sn或Pb中的一種或多種。特別的，Cu是除了 Co、Ni、Si和Mn之外的另一種適于固體溶液凝固的元素，從而使得在合金中至少很少份額的Cu任選地可以是有利的。除了能夠任選地以最大I重量％的含量存在的S之外，元素Ca、Bi或As也能簡單化工具鋼的可加工性。同樣重要的是在形成合金的碳化物的高溫下工具鋼的機械穩(wěn)定性。有鑒于此，考慮到機械穩(wěn)定性和強度性質，例如Mo-碳化物和W-碳化物優(yōu)于碳化鉻和碳化鐵。在基體中鉻的缺乏以及碳含量的減少導致改善的導熱能力，特別是當通過碳化鎢和/或碳化鑰來進行時。用以制備在此所推薦的工具鋼(特別是熱作鋼)的方法，對于其熱性能和機械性能同樣發(fā)揮著重要作用。因此，通過特意地選擇制備方法能夠特意地改變工具鋼的機械性能和/或熱性能，并由此適合于各應用目的?！け景l(fā)明范疇內所述的工具鋼能夠例如通過粉末冶金法(熱等靜壓)制備。也存在著例如通過真空感應熔化或通過爐內熔化制備本發(fā)明的工具鋼的可能。現(xiàn)已令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，各個所選的制備方法能影響所得的碳化物大小，而其自身如上所述地能夠對工具鋼的導熱能力和機械性能產生影響。還能夠通過本身已知的精煉方法如VAR-法(VAR=真空電弧重溶；Vakuum-LichtbogenumschmeIzen )、AOD-法(AOD= IS 氧脫碳；Argon-Sauerstoff-Entkohlung)或者所謂的ESR-法(ESR :電洛重熔)來精煉工具鋼。同樣能例如通過砂鑄或精密鑄(Feingu β )而制得本發(fā)明的工具鋼。其可以通過熱壓或其他粉末冶金方法(燒結、冷壓、等靜壓)并且在所有這些制備方法中都能采用或不采用熱機械工藝地(鍛制、軋制、流動沖壓(Flie β pressen))制備。也可以采用較不傳統(tǒng)的制備方法，如觸變鑄造(thixo-casting)、等離子涂覆或激光涂覆以及局部燒結。為了由該工具鋼也能制得具有在體積內變化的組成的制品，能夠有利地采用粉末混合物的燒結過程。在本發(fā)明范疇內改進的鋼也能夠用作焊接添加材料(例如以粉末形式用于激光焊接，作為條材或型材用于金屬-惰性氣體焊接(MIG-焊接)、金屬活性氣體焊接(MAG-焊接)、鎢-惰性氣體焊接(WIG-焊接)或用于采用經包覆的電極的焊接)。根據權利要求24，推薦了如權利要求4至23之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼作為制備熱作鋼制品、特別是熱作工具的材料的應用，且其具有超過42W/mK的室溫下導熱能力、優(yōu)選超過48W/mK的導熱能力、特別是超過55W/mK的導熱能力。本發(fā)明的鋼制品的特征在于權利要求25的特征，并且所述鋼制品至少部分地由如權利要求4至23之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼構成。在一個有益的實施方式中，可以使得鋼制品具有在其整個體積上基本恒定的導熱能力。特別的，在該實施方式中，鋼制品可以完全由如權利要求4至23之一所述的工具鋼、特別是由熱作鋼構成。在一個特別有益的實施方式中，能夠設計使得鋼制品具有至少是分段地改變的導熱能力。
根據一個特別有益的實施方式，室溫下鋼制品能夠至少分段地具有超過42W/mK的導熱能力、優(yōu)選超過48W/mK的導熱能力、特別是超過55W/mK的導熱能力。在室溫下，鋼制品也能夠在其整個體積上具有超過42W/mK的導熱能力、優(yōu)選超過48W/mK的的導熱能力、特別是超過55W/mK的導熱能力。在有益的實施方式中，鋼制品可以是例如金屬的壓力成型、剪切成型(Schubumformung)或彎曲成型工藝中的，優(yōu)選在自由鍛工藝、模鍛工藝、觸變鍛造工藝、流動沖壓工藝、輾軋工藝、模彎(Gesenkbiege-)工藝、軋制成型(Walzprofilier)工藝或者在扁軋工藝、型件軋制工藝和鑄軋工藝中的成型工具。在其他有益的實施方式中，鋼制品可以是金屬的拉壓成型和拉伸成型工藝中的，優(yōu)選在加壓淬火工藝、模壓淬火工藝、深沖工藝、張拉成型工藝和翻孔(Kragenzieh)工藝中的成型工具。在進一步的優(yōu)選實施方式中，鋼制品可以是例如金屬原材料的固結成型工藝中的，優(yōu)選壓鑄工藝、真空壓鑄工藝、觸變鑄造工藝、鑄軋工藝、燒結工藝和熱等靜壓工藝中 的成型工具。此外，鋼制品還可以是聚合物原材料的固結成型工藝中的，優(yōu)選注塑工藝、擠出工藝和擠出吹塑工藝中的成型工具，或者是陶瓷原材料固結成型工藝中的，優(yōu)選燒結工藝中的成型工具。在再一個優(yōu)選實施方式中，鋼制品可以是產生能量和能量轉換的機器和設備的部件，優(yōu)選內燃發(fā)動機、反應器、熱交換器和發(fā)電機的部件。另外，鋼制品還可以是化學方法技術的機器和設備的部件、優(yōu)選化學反應器的部件。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點清楚地根據引用附圖的優(yōu)選實施例的以下描述來說明。附圖為圖I典型工具鋼的微結構橫截面內的碳化物結構的極大簡化的示意草圖；圖2相比于傳統(tǒng)工具鋼的根據本發(fā)明的熱作鋼的兩個樣品(Fl和F5)的抗磨強度；圖3適用于熱成型工藝的本發(fā)明工具鋼(熱作鋼)的導熱能力取決于鉻含量的關系圖；圖4根據本發(fā)明的另外選擇的工具鋼的導熱能力取決于鉻含量的關系圖；圖5描述在經預熱的工件中通過與兩個工具鋼板兩面接觸導熱而獲得的排熱過程。以下將開始詳細闡述五個適合于不同應用目的的工具鋼(熱作鋼)的實例。實施例I現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，為了制備用于鋼板熱成型(“熱沖壓成型”)的工具(熱作鋼制品)，特別有益的是采用具有以下組成的熱作鋼O. 32 至 O. 5 重量％的 C ;少于I重量％的Cr;O至4重量％的V;O至10重量％、特別是3至7重量％的Mo ;
O至15重量％、特別是2至8重量％的1;其中Mo和W的含量總和為5至15重量％。此外，該熱作鋼含有不可避免的雜質和作為主要成分的鐵。任選地，該熱作鋼可以含有強的碳化物形成劑，例如Ti、Zr、Hf、Nb、Ta，且其單獨或總和的含量為不超過3重量％。在這種應用中，由熱作鋼制得的工具的抗磨強度是特別重要的。因此，所形成的初生碳化物的體積應盡可能大。實施例2現(xiàn)今，鋁壓鑄有著很重要的市場，其中用于制備工具的熱作鋼的性質對于競爭力而言是特別重要的。用于制備壓鑄工具的熱作鋼的高溫機械性能在此是具有特別的意義的。在這種情況下，提高的導熱能力的優(yōu)點是特別重要的，因為不僅使得周期時間的縮短成為可能，而且工具的表面溫度和工具中的溫度梯度也會減小。在此，對于工具 的耐用性的積極作用是顯著程度的。在壓鑄應用中，特別是在鋁壓鑄方面，采用具有以下組成的熱作鋼作為制備相應工具的材料是特別有益的O. 3 至 O. 42 重量％的 C ;少于2重量％、特別是少于I重量％的Cr ；O至6重量％、特別是2. 5至4.5重量％的Mo ；O至6重量％、特別是I至2.5重量％的1;其中，Mo和W的含量總和為3. 2至5.5重量％ ；O至I. 5重量％、特別是O至I重量％的V。此外，該熱作鋼還含有鐵(作為主要成分)和不可避免的雜質。任選地，熱作鋼可以含有強的碳化物形成劑，例如Ti、Zr、Hf、Nb、Ta，且其單獨或總和的含量為不超過3重量％。在鋁一壓鑄應用中，應盡可能不存在Fe3C。其中，添加有Mo和W的Cr和V是優(yōu)選的元素，用以代替Fe3C。但優(yōu)選地，同樣通過Mo和/或W代替Cr。為了在某些應用中優(yōu)選地將釩完全或至少部分地代替，同樣可以使用W和/或Mo。但是或者，也可以使用更強的碳化物形成劑，如Ti、Zr、Hf、Nb或Ta。碳化物形成劑的選擇和其份額又取決于具體的應用和對于由熱作鋼制得的工具的熱性能和/或機械性能所提出的要求。實施例3在具有相對較高熔點的合金的壓鑄中使用具有以下組成的熱作鋼來制備相應的工具是有益的O. 25 至 O. 4 重量％的 C ;少于2重量％、特別是少于I重量％的Cr ；O至5重量％、特別是2. 5至4.5重量％的Mo ；O至5重量％、特別是O至3重量％的W ;其中，Mo和W的含量總和為3至5.2重量％ ；O至I重量％、特別是O至O. 6重量％的V。此外，該熱作鋼還含有不可避免的雜質以及作為主要成分的鐵。任選地，該熱作鋼可以含有強的碳化物形成劑，例如Ti、Zr、Hf、Nb、Ta，且其單獨或總和的含量為不超過3重量％。在該應用中需要熱作鋼更大的韌性，從而能將初生碳化物盡可能完全抑制，因此穩(wěn)定的碳化物形成劑是更有益的。
實施例4在塑料注塑中以及在具有相對較低熔點的合金的壓鑄中，采用具有以下組成的熱作鋼來制備相應的工具是特別有益的O. 4 至 O. 55 重量％的 C ;少于2重量％、特別是少于I重量％的Cr ；O至4重量％、特別是O. 5至2重量％的Mo ；O至4重量％、特別是O至1.5重量％的W ;其中，Mo和W的含量總和為2至4重量％ ;O 至 1.5 重量％的 V。·此外，該熱作鋼還含有鐵作為主要成分以及不可避免的雜質。任選的，熱作鋼可以含有強的碳化物形成劑，例如Ti、Zr、Hf、Nb、Ta，且其單獨或總和的含量為不超過3重量％。在這些應用領域中，應保持釩的份額盡可能小。優(yōu)選地，熱作鋼的釩含量可以是少于I重量％且特別是少于O. 5重量％，在一個特別優(yōu)選的實施方式中是少于O. 25重量％。在注塑過程中，對于工具的機械性能的要求是相對較小的。通常，約1500MPa的機械強度即已足夠。但是，更高的導熱能力能夠使得制備注塑件時周期時間的縮短成為可能，從而能夠減少制備注塑件的成本。實施例5在熱鍛時特別有益的是，為制備相應的工具而使用具有以下組成的熱作鋼O. 4 至 O. 55 重量％的 C ;少于I重量％的Cr;O至10重量％、特別是3至5重量％的Mo ;O至7重量％、特別是2至4重量％的W ;其中，Mo和W的含量總和為6至10重量％ ；O至3重量％、特別是O. 7至1.5重量％的V。此外，熱作鋼含有鐵作為主要成分和不可避免的雜質。任選的，熱作鋼可以含有強的碳化物形成劑，例如Ti、Zr、Hf、Nb、Ta，且其單獨或總和的含量為不超過3重量％。優(yōu)選的，在該實施例中，熱作鋼可以含有用于固體溶液凝固的元素，特別是Co，但也可以是Ni、Si、Cu和Mn。特別的，不超過6重量％的Co的含量經證明是有益的，用以改善工具的耐高溫性。借助于此處舉例描述的適于許多不同應用的熱作鋼，可以獲得是已知熱作鋼約兩倍大的導熱能力。表I中顯示了，相比于傳統(tǒng)的工具鋼，根據本發(fā)明的熱作鋼的五個實驗樣品(樣品Fl至樣品F5)的熱彈性特征值。例如可以看到，該熱作鋼具有比已知的工具鋼更高的密度。另外也顯示了如下結果，即本發(fā)明熱作鋼的樣品的導熱能力相比于傳統(tǒng)的工具鋼強烈增大。表2中總結了，相比于傳統(tǒng)的工具鋼，根據本發(fā)明的兩個熱作鋼樣品(樣品Fl和F5)的機械性能。圖2中描繪了相比于傳統(tǒng)工具鋼，熱作鋼的兩個樣品(Fl和F5)的抗磨強度。其中，借助于由相應的鋼制得的銷釘和借助于由USIBOR - 1500P 一板材制成的盤片來測試抗磨強度。樣品“I. 2344”在此作為對比樣品(抗磨強度100%)。因此，抗磨強度為200%的材料具有對比樣品的兩倍高的抗磨強度，并因此在進行摩擦測試方法過程中只遭受一半大的重量損失。可以看出，本發(fā)明熱作鋼的樣品相比于大多數(shù)已知的鋼材而言具有很高的抗磨強度。以下將詳細闡述根據本發(fā)明的工具鋼、特別是熱作鋼的其他優(yōu)選實施例和它們的性能。導熱能力和導熱性是描述材料或部件熱傳輸性能的最重要的熱物理材料參數(shù)。為精確測量導熱性，進行所謂的“激光閃射技術”(LFA)作為快速、多方面和精確的絕對法。在相關的標準DIN 30905和DIN EN821中確定了相應的檢測規(guī)程。為進行該測量，使用NETZSCH — GerMtebaU GmbH, Wittelsbacherstrasse 42, 95100Selb/Bayern (德國)公司的 LFA 457 MicroFlash 。由所測得的導熱性a和比熱Cp以及樣品特有的經計算得的密度P，根據計算式 λ = P · cp · a能夠非常簡單地計算得到導熱能力入。圖3中顯示了對于選擇表3中具有FC或FC + xCr標記的化學組成的工具鋼，根據該方法計算得的導熱能力取決于鉻的重量份額的關系。其中，該組成首先在合金元素鉻的重量百分比上是不同的。所述的鋼由于相對較大的初生碳化物的體積份額，除了根據本發(fā)明可能調節(jié)獲得理想的導熱能力之外，還具有很高的抗磨擦損耗和粘連損耗性，并因此適合于如一般在熱成型工藝中所出現(xiàn)的高機械負荷。圖4中顯示了對于選擇表4中具有FM或FM + xCr標記的化學組成的工具鋼,根據該方法計算得的導熱能力取決于鉻的重量份額的關系。其中，該組成首先在合金元素鉻的重量百分比上是不同的。這些工具鋼特別適用于壓鑄工藝，因為它們的特點在于初生碳化物的份額相對較小。表5中歸納了用于對比地試驗工藝性能的本發(fā)明工具鋼F的化學組成。在特別是如板材熱成型中所主導的工藝近似條件下，采用具有表5中標記為F的化學組成的工具鋼，與根據DIN17350 EN ISO 4957的具有標號I. 2344的傳統(tǒng)工具鋼相比，通過高溫測量法能夠驗證到經由預熱而存儲入工件中的熱量加速地導出。高溫測量法的結果歸納于圖5中。考慮到在這些工藝中通常的工具溫度為約200°C，因此經由這里所用的本發(fā)明的工具鋼能夠實現(xiàn)約50%的冷卻持續(xù)時間的縮短。除了通過合適地選擇化學組成而基本調節(jié)導熱能力的本發(fā)明這一方面，本發(fā)明還包括了通過特定的熱處理來精細調節(jié)這一方面。表6中不例性地顯不了，對于具有表5中所列化學組成的合金方案F以及具有表3中所列化學組成的合金方案FC，不同熱處理條件對所得導熱能力的影響作用。根據熱處理而調節(jié)得不同的導熱能力的原因在于，由此改變的碳化物的體積份額和它們改變了的分布和形態(tài)。前面已經指出，鑒于在本發(fā)明合金的化學組成方面提高導熱能力，應調節(jié)包括碳當量成分N和B (碳當量xCeq = xC + O. 86 ·χΝ + I. 2 ·χΒ,其中xC表示C的重量百分比，xN表示N的重量百分比和xB表示B的重量百分比)在內的碳的重量份額，使得在基體中碳盡可能少地殘留于溶液中。對于鑰的重量份xMo (% Mo)和鎢的重量份xW (% W)同樣如此；它們也應盡可能地不以溶解形式殘留于基體中，而是更多地參與碳化物的形成。類似形式地，對于所有其他元素也同樣如此；它們也應參與到碳化物的形成中并因此不以溶解形式存在于基體中，而更多地用以結合碳并任選地在機械負荷方面提高耐損耗性。前面相關的描述內容能夠一即使有某些局限一在一般的說明方案中變換地描述為工具鋼特征值HC的方程式的形式HC = xCeq — AC · [xMo/ (3 · AM。) + xff/ (3 · AW) + (xV — 0. 4) /AV]在該式中xCeq 一碳當量的重量百分比(如上定義);xMo —鑰的重量百分比； xW—鎢的重量百分比；xV 一釩的重量百分比；AC —碳的原子質量(12. 0107u)AMo 一鑰的原子質量(95. 94u)Aff 一鎢的原子質量(183. 84u)AV —f凡的原子質量(50. 9415u)。HC的值應有益地介于O. 03和O. 165之間。HC的值也能夠在O. 05至O. 158之間，特別的在O. 09至O. 15之間。在上述的式子中因子3針對的是如下情況，即，預計在本發(fā)明的工具鋼的微結構中有M3C或M3Fe3C型的碳化物；M在此表示任意的金屬元素。因子O. 4基于的是如下事實，即，在合金制備時所期望的重量百分比的釩(V)主要以碳化物形式的化合物形式添加，因此不超過該份額的量同樣作為金屬碳化物MC而存在。根據本發(fā)明的工具鋼(熱作鋼)的其他應用領域對于本發(fā)明工具鋼(特別是熱作鋼)的優(yōu)選實施例的其他應用，原則上可以考慮那些其中高導熱能力或經特定調節(jié)的變化的導熱能力特性對于所用工具的應用行為和對于由此制得的產品的性能產生積極作用的應用領域。采用本發(fā)明能夠得到具有精確限定的導熱能力的鋼。甚至存在著通過改變化學組成而獲得具有在體積上變化的導熱能力的鋼制品的可能性，且所述鋼制品至少部分地由在此所推薦的工具鋼(熱作鋼)制成。其中，可以采用各種能夠改變鋼制品內化學組成的方法，例如粉末混合物的燒結，局部燒結或局部熔融或所謂的“快速模具制造”法或“快速原型”法或者“快速模具制造”法和“快速原型”法的結合。除了已經提到的板材熱成型(加壓淬火，模壓淬火)領域和輕金屬壓鑄中的應用之外，其一般也可以是結合工具和模具的金屬鑄造工藝，塑料注塑和體積成型工藝，特別是熱體積成型(例如鍛造、流動沖壓、輾軋、軋制)，它們是本發(fā)明熱作鋼的優(yōu)選應用領域。在產品方面，這里所推薦的鋼材，對于它們用于制備內燃機中的氣缸襯筒的用途而言，對于切削刀具或制動圓盤而言是理想的前提。表7中除了已經描述于表3和4中的合金方案之外還描述了本發(fā)明工具鋼(熱作鋼)的其他實施例。
表7中所歸納的合金方案的優(yōu)選應用是FA:招壓鑄；FZ :銅和銅合金的成型(包括黃銅)；Fff :銅和銅合金；(包括黃銅)以及更高熔點的金屬合金的壓鑄；FV :銅和銅合金(包括黃銅)的成型；FAff :銅和銅合金；(包括黃銅)以及更高熔點的金屬合金的壓鑄；FA Modl:由銅和銅合金(包括黃銅)和鋁制成的大體積部件的壓鑄；FAMod2:鋁的成型；
·
FC Modi:具有高抗損耗性的板材熱成型(加壓淬火，模壓淬火)；FC Mod2:具有高抗損耗性的板材熱成型(加壓淬火，模壓淬火)。
權利要求
1.調節(jié)鋼、特別是熱作鋼的導熱能力的方法，其特征在于，以特定的冶金方式產生鋼的內部結構，該結構的碳化物成分具有特定的電子密度和聲子密度和/或該結構的晶體結構具有通過有目的地產生的晶 格缺陷而確定的針對聲子流動和電子流動的平均自由程。
2.用于調節(jié)、特別是提高鋼、特別是熱作鋼的導熱能力的方法，其特征在于，以特定的冶金方式產生鋼的內部結構，該結構在其碳化物成分中具有提高的電子密度和聲子密度和/或該結構通過在碳化物的和包裹其的金屬基體的晶體結構中少量的缺陷而具有針對聲子流動和電子流動的增大的平均自由程。
3.如權利要求I或2所述的方法，其特征在于，將室溫下鋼的導熱能力調節(jié)到大于42W/mK、優(yōu)選調節(jié)到大于48W/mK、特別調節(jié)到大于55W/mK。
4.工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于以下組成 O.26至O. 55重量％的C ； 〈2重量％的Cr ； O至10重量％的Mo ； O至15重量％的W ； 其中，W和Mo的含量總和為I. 8至15重量％ ； 形成碳化物的元素Ti、Zr、Hf、Nb、Ta，其各自單獨或總和的含量為O至3重量％ ； O至4重量％的V ； O至6重量％的Co ； O至I. 6重量％的Si ； O至2重量％的Mn ； O至2. 99重量％的Ni ； O至I重量％的S ； 余量的鐵和不可避免的雜質。
5.工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于以下組成 總和為O. 25至I. 00重量%的C和N ; 〈2重量％的Cr ； O至10重量％的Mo ； O至15重量％的W ； 其中W和Mo的含量總和為I. 8至15重量％ ； 形成碳化物的元素Ti、Zr、Hf、Nb、Ta，其單獨或總和的含量為O至3重量％ ； O至4重量％的V ； O至6重量％的Co ； O至I. 6重量％的Si ； O至2重量％的Mn ； O至2. 99重量％的Ni ； O至I重量％的S ； 余量的鐵和不可避免的雜質。
6.工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于以下組成 總和為O. 25至I. 00重量%的C、N和B ;〈2重量％的Cr ； O至10重量％的Mo ； O至15重量％的W ； 其中W和Mo的含量總和為I. 8至15重量％ ； 形成碳化物的元素Ti、Zr、Hf、Nb、Ta，其單獨或總和的含量為O至3重量％ ； O至4重量％的V ； O至6重量％的Co ； O至I. 6重量％的Si ； O至2重量％的Mn ； O至2. 99重量％的Ni ； O至I重量％的S ； 余量的鐵和不可避免的雜質。
7.如權利要求4至6之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述熱作鋼在室溫下具有大于42W/mK的導熱能力、優(yōu)選大于48W/mK的導熱能力、特別是大于55W/mK的導熱能力。
8.如權利要求7所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述工具鋼的導熱能力可通過如權利要求I至3之一所述的方法調節(jié)。
9.如權利要求4至8之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述熱作鋼含有總和2至15重量％的Mo和W。
10.如權利要求4至9之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述工具鋼含有總和為2. 5至15重量％的Mo和W。
11.如權利要求4至10之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述工具鋼含有小于I. 5重量％的Cr。
12.如權利要求4至11之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述工具鋼含有小于I重量％的0。
13.如權利要求4至12之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述工具鋼含有小于O. 5重量％的Cr、優(yōu)選小于O. 2重量％的Cr和特別是小于O. I重量％的Cr。
14.如權利要求4至13之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述工具鋼含有O. 5至10重量％、特別是I至10重量％的Mo。
15.如權利要求4至14之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，Mo、W和V的含量總和為2至10重量％。
16.如權利要求4至15之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述工具鋼含有最大3重量％的Co。
17.如權利要求4至16之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述工具鋼含有最大2重量％的Co。
18.如權利要求4至17之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述的工具鋼的鑰含量為>1重量％、優(yōu)選>1. 5重量％、特別是彡2重量％。
19.如權利要求4至18之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述工具鋼的鑰;含量為< 2重量％、優(yōu)選< I. 2重量％。
20.如權利要求4至19之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，所述雜質含有單獨或總和的含量為最大I重量％的元素Cu、P、Bi、Ca、As、Sn或Pb中的一種或多種。
21.如權利要求4至20之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，特征值HC=xCeq — AC · [xMo/ (3 ·ΑΜο) + xff/(3 *AW) + (xV — 0. 4)/AV]，其介于 0. 03 至 0· 165 之間，其中 xCeq為碳當量的重量百分比； xMo為鑰的重量百分比； xW為鎢的重量百分比； xV為鑰;的重量百分比； AC為碳的原子質量； AMo為鑰的原子質量； AW為鎢的原子質量； AV為f凡的原子質量。
22.如權利要求21所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，HC介于O.05至O. 158之間。
23.如權利要求21或22所述的工具鋼、特別是熱作鋼，其特征在于，HC介于O.09至.O.15之間。
24.如權利要求4至23之一所述的工具鋼、特別是熱作鋼的用途，用作制備熱作鋼制品、特別是熱作工具的材料，其具有室溫下大于42W/mK的導熱能力、優(yōu)選大于48W/mK的導熱能力、特別是大于55W/mK的導熱能力。
25.鋼制品，其特征在于，所述鋼制品至少部分地由如權利要求4至23之一所述的工具鋼、特別是由熱作鋼構成。
26.如權利要求25所述的鋼制品，其特征在于，所述鋼制品具有在其整個體積上基本上恒定的導熱能力。
27.如權利要求25所述的鋼制品，其特征在于，所述鋼制品具有至少分段地改變的導熱能力。
28.如權利要求25至27之一所述的鋼制品，其特征在于，所述鋼制品在室溫下至少分段地具有大于42W/mK的導熱能力、優(yōu)選大于48W/mK的導熱能力、特別是大于55W/mK的導熱能力。
29.如權利要求25至28之一所述的鋼制品，其特征在于，所述鋼制品是金屬的壓力成型、剪切成型或彎曲成型工藝中的，優(yōu)選在自由鍛工藝、模鍛工藝、觸變鍛造工藝、流動沖壓工藝、輾軋工藝、模彎工藝、軋制成型工藝或者在扁軋工藝、型件軋制工藝和鑄軋工藝中的成型工具。
30.如權利要求25至28之一所述的鋼制品，其特征在于，所述鋼制品是金屬的拉壓成型和拉伸成型工藝中的，優(yōu)選在加壓淬火工藝、模壓淬火工藝、深沖工藝、張拉成型工藝和翻孔工藝中的成型工具。
31.如權利要求25至28之一所述的鋼制品，其特征在于，所述鋼制品是金屬原材料的固結成型工藝中的，優(yōu)選壓鑄工藝、真空壓鑄工藝、觸變鑄造工藝、鑄軋工藝、燒結工藝和熱等靜壓工藝中的成型工具。
32.如權利要求25至28之一所述的鋼制品，其特征在于，所述鋼制品是聚合物原材料的固結成型工藝中的，優(yōu)選注塑工藝、擠出工藝和擠出吹塑工藝中的成型工具。
33.如權利要求25至28之一所述的鋼制品，其特征在于，所述鋼制品是陶瓷原材料固結成型工藝中的，優(yōu)選燒結工藝中的成型工具。
34.如權利要求25至28之一所述的鋼制品，其特征在于，所述鋼制品是產生能量和能量轉換的機器和設備的部件，優(yōu)選內燃發(fā)動機、反應器、熱交換器和發(fā)電機的部件。
35.如權利要求25至28之一所述的鋼制品，其特征在于，所述鋼制品是化學方法技術的機器和設備的部件、優(yōu)選化學反應器的部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有如下組成的工具鋼、特別是熱作鋼0.26至0.55重量%的C；<2重量%的Cr；0至10重量%的Mo；0至15重量%的W；其中，W和Mo的含量總和為1.8至15重量%；形成碳化物的元素Ti、Zr、Hf、Nb、Ta，其各自單獨或總和的含量為0至3重量%；0至4重量%的V；0至6重量%的Co；0至1.6重量%的Si；0至2重量%的Mn；0至2.99重量%的Ni；0至1重量%的S；余量的鐵和不可避免的雜質。該熱作鋼相比于已知的工具鋼具有顯著更高的導熱能力。
文檔編號C22C38/12GK102888563SQ201210317360
公開日2013年1月23日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權日2006年8月9日
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