專利名稱：耐熱工具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種耐熱工具，特別是用于切削加工奧氏體鋼、鎳基合金和鈦材的工具。
此外本發(fā)明還涉及用于制備具有高熱硬度的物件的方法。
用于斷續(xù)加工或無間斷連續(xù)加工工件的工具都應具有高硬度以及高磨損阻力。
很久以來就已知，含碳的鐵基合金應用作為工具材料，其硬度經(jīng)淬化硬化通過在組織結構中形成馬氏體根據(jù)需要而提高。在這種硬化法中，基本上是在提高了的溫度下對具有面心立方晶格結構的材料快速冷卻而進行微觀結構的無擴散的轉變。形成馬氏體的原子從奧氏體晶格位置轉移到新的組織結構，專業(yè)人員也稱之為在淬火過程中的翻轉-轉變。
將其他的合金元素添加入含碳的鐵基材料中并應用特別制定的熱處理方法允許由此制備物件或工具，其在結構的淬火轉變或熱翻變轉變后，視情況也還在隨即的退火后具有高的所期望的機械性能和類似的使用性能值。
在冷卻奧氏體的固溶體區(qū)域時通過轉變得到的結構不表現(xiàn)熱力學穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。在加熱到生成溫度以上的溫度，或在此溫度下長時間處理，結構發(fā)生變化以致材料的性能發(fā)生變化。
換句話說當在工具的實際使用中工作區(qū)域內出現(xiàn)高溫時，這個區(qū)域內材料硬度會下降，并因此出現(xiàn)其使用性能的降低。
為了提高工件加工的經(jīng)濟性，現(xiàn)在的目的是制備具有經(jīng)提高了熱硬度的材料的工具。假如工具材料在結構中具有碳化物或其它硬質物質，那么熱硬度這個概念就涉及到基體部分。
已知，與以馬氏體形成為特征的淬火硬化相反，沉淀硬化是不經(jīng)此實現(xiàn)的。對于沉淀硬化的先決條件是在基體金屬中的合金添加物隨著溫度下降的溶解度。
在沉淀硬化中，固溶處理的合金化材料隨即進行更強烈的冷卻。在較高的溫度下的固溶處理中，將在材料中的一種合金添加物或一個相完全地或部分地被加入到溶體中，并淬火至室溫成為過飽和溶體。在隨即加熱到固溶處理溫度以下的溫度時，合金添加物或相的與溫度相應的過飽和部份沉淀出來，這使材料性能產(chǎn)生改變。這樣可制備具有永磁性或具有高硬度的合金。
所以本發(fā)明現(xiàn)在的任務是，制備一種耐熱工具，它的材料或材料的基體部分具有在高溫下比高速鋼的硬度更大的硬度，在此通過硬化而不出現(xiàn)工具的變形現(xiàn)象。此外，在工具的工作區(qū)域即使在長時間的熱作用下也能保持材料的硬度，并因此還允許在沒有、或較少冷卻工具的情況下并以較高的間斷速率切削。本發(fā)明的最終任務是提供用于無間斷加工奧氏體合金的切削材料，例如耐銹的Cr-Ni-鋼、鎳基合金和鈦材的切削材料，這種切削材料使得在高工具壽命下具有高的表面加工質量的、經(jīng)濟的加工成為可能。
這任務通過一種耐熱工具而解決，由含有鐵-鈷-鎢和鉬的高速切削合金構成，以重量％計鈷(Co) 15.0-30.0鎢(W) 4.0-30.0鉬(Mo) 6.0-22.0條件是，鎢的含量加上2倍鉬的含量為18.0-49.0(W+2Mo＝18.0至49.0)碳(C) 0.005-0.19氮(N) 0.01-0.1
鋁(Al) 上限為0.85硅(Si) 上限為0.85條件是，鋁的含量加上硅的含量最高為0.95(Al+Si) ≤0.95鎳(Ni) ＜0.4錳(Mn) ＜0.4鉻(Cr) ＜1.3鐵和由煉制條件決定作為余量的雜質，作為工具材料，其以粉末冶金的方式通過用氮氣將合金霧化成粉末，隨即用熱等靜壓法(HIPen)將粉末壓成預制材料，并視情況通過預制材料的熱變形和/或冷變形而制備，這樣成型以后的工具通過固溶處理并隨即冷卻至室溫并隨后沉淀處理而硬化，并且具有大于65HRC的硬度。
由本發(fā)明達到的優(yōu)點特別在于，在長時間內有效溫度直至650℃下，工具達到的硬度值與已知的高效高速鋼相比要高得多。遵循根據(jù)本發(fā)明的合金技術的和制備技術特征在此是重要的。
Fe-Co-W/Mo-合金在一定的濃度范圍內，在加熱下從體心立方(γ)轉變?yōu)槊嫘牧⒎?α)-原子結構，其中轉變溫度的高低取決于合金當前的組成。在此分別與溫度相關的形成沉淀的元素的溶解度在合金的α-區(qū)域微小，相反其在γ-區(qū)域有提高。
在具有低碳含量的合金中，鎢和鉬引起沉淀硬化，并且從過飽和溶體幾乎全部的進入金屬間相中。這些元素實際上同樣地影響轉變溫度和類金屬的顆粒對凝聚的穩(wěn)定性，進而影響材料的硬度和耐熱性。隨著這些元素的總含量提高到49重量％，二次硬度和耐熱性增加。對于更高的含量由于類金屬的增長而不再改善這些性能，與此相反，對于低于18.0重量％的元素(W+Mo)濃度時，測出的強度和材料韌度大幅下降。
合金元素鈷對材料性能產(chǎn)生復雜的影響。一部分鈷通過形成類金屬(Fe，Co)7(W，Mo)6而參與沉淀硬化，這樣就降低了它的在α-相中的濃度。另一部分鈷保證了合金的重結晶。對于鈷含量低于19.0重量％時，一部分組織結構即使在高的加熱下也保持在α-相中，材料由于W和Mo穩(wěn)定鐵素體的作用而變得不期望的粗顆粒的。對于鈷含量高于25重量％時，類金屬的量增加，致使材料的機械性能在不能進一步的提高硬度和耐熱性的情形下而降低。
當鉬的份額對比鎢成分在4.0-30.0重量％的范圍時顯著地提高了Fe-Co-W/Mo-合金的強度，并且對其α-γ-轉變溫度幾乎沒有影響。在鎢比鉬為0.7-1.6的比例范圍內得到硬度、強度和耐熱性的最佳組合，在此，鉬在合金中的最低含量應為7.0重量％。直至18.0重量％的鉬優(yōu)越地使類金屬的沉淀細膩和均質。
碳雖然對合金的轉變溫度沒有影響，但是在高于0.16重量％的濃度時形成(M6C)類的碳化物，其在沒有進一步合金技術措施下，減小工具的硬度、耐熱性和切削性能。碳含量低于0.008重量％時要延緩沉淀的形成，所以如所發(fā)現(xiàn)的，在視情況的基體構成的合金中的含碳量應為0.008-0.16重量％。
0.01-0.1重量％的氮由于形成氮化物是有利的，并且促進組織結構的細度和均質性。
釩、鈮、鉭、鈦和鋯單個元素或這些元素的組合是技術上用來形成優(yōu)越的精細顆粒和鍵合特別在遠沒有溶解的碳化物和氮化物中的碳和氮。另外通過0.14-0.9的濃度范圍的這些元素可改善晶粒邊界的狀態(tài)，這可提高材料的韌度。
鋁和硅雖然提高了合金的α-γ-轉變溫度并改善了材料的性能，但是也穩(wěn)定了鐵素體，所以優(yōu)選鋁的含量不應超過0.85重量％，硅的含量不應超過0.85重量％，且它們的總含量不應超過0.95重量％。
當鎳和錳的含量大于0.4重量％和鉻的含量大于1.3重量％時，雖然改善了材料的機械性能，但是也減小了工具的耐熱性。
本身已知的粉末冶金制備預制材料也是有發(fā)明性的。已經(jīng)顯示，通過用氮氣對合金氣體噴氣，隨即將粉末熱等靜壓壓制，壓制品的性能是容易調節(jié)的，并且合金元素分布的高度均質性及在預制材料中無偏析性是可實現(xiàn)的。此外還發(fā)現(xiàn)，PM-技術對沉淀動力學和沉淀的形態(tài)學起有利的和精煉的作用，對此還沒有已知的科學解釋。
根據(jù)本發(fā)明，通過直至約650℃的沉淀退火，不造成工具變形或形變就可將硬度提高到大于65HRC的硬度值，這就使得工具不需要或只需要較少的精加工。
本發(fā)明的優(yōu)越的組成形式在權利要求2中標明。
特別對于在材料的良好韌度值下的高硬度，下述的情況是有利的，即如果在工具材料中，所形成的沉淀具有1-5μm平均大小，基本上具有(Fe，Co)7(W，Mo)6的結構。
為了達到耐熱工具的進一步附加提高的耐磨性，一個根據(jù)本發(fā)明的實施形式擬定，在具有上述特征的基體中，在材料中以直至28體積％的量，以精細分布的形式均質地設置硬化相。
本發(fā)明包含在內的所要求的任務，在一個用來制備具有高的熱硬度的物件的方法中解決，即在這個方法中，制備具有下列以重量％計的組成成分的熔融金屬鈷(Co) 15.0-30.0鎢(W) 4.0-30.0鉬(Mo) 6.0-22.0條件是，鎢的含量加上2倍鉬的含量為18.0-49.0(W+2Mo＝18.0-49.0)碳(C)0.005-0.19氮(N)0.01-0.1 鋁(Al) 上限為0.85硅(Si) 上限為0.85條件是，鋁的含量加上硅的含量最高為0.95
(Al+Si) ≤0.95鎳(Ni) ＜0.4錳(Mn) ＜0.4鉻(Cr) ＜1.3制成鐵和由煉制條件決定作為余量的雜質，經(jīng)氮氣將熔融金屬霧化成金屬粉末，之后，這種合金粉末用熱等靜壓法壓制成預制材料，這種預制材料在1200-950℃下視情況進行熱變形，結果進一步加工成物件基體，最終成型以后，在高于1200-1300℃的溫度下進行固溶處理，隨即進行淬火和在500-650℃下沉淀硬化退火，這樣物件的硬度達到高于65HRC的硬度值。
根據(jù)本發(fā)明的方法所得到的優(yōu)點特別在于，制備考慮到進一步加工和在高溫下的機械性能具有最佳組成成分的熔融金屬。這樣，應用氮氣作為噴氣介質根據(jù)粉末-金屬-技術制備的預制材料可獲得對于材料高均質性的最好結果，在至少950℃的溫度下可改善材料的熱塑性，然而從1000℃至1200℃和更高的溫度下也支持熱塑性。在物件的最后成型后，可在高于1200-1300℃的溫度下進行固溶處理，隨即以有利的方式在沒有形狀變形下在室溫下進行強制冷卻，還在500-670℃下，優(yōu)選為直至650℃而不引起部件變形的情況下進行沉淀硬化至材料硬度高于65HRC。因為根據(jù)本發(fā)明，元素Ni和Mn在材料中有上限濃度，并且促進淬透性的元素Cr被調節(jié)到最大含量，所以可實現(xiàn)高的α-γ-轉變溫度和由此高的材料硬度和在金屬材料的無間斷加工時工具的最高壽命。與具有直至1.7重量％的C和高份額的減少磨損的碳化物，特別是單碳化物的最高合金高速鋼相比，根據(jù)本發(fā)明的工具，更確切地說旋轉工具在加工具，有高耐腐蝕性的高合金奧氏體油田部件(lfeldkomponenten)時提供提高了89個系數(shù)的無間斷性能，這也高于硬質合金工具的性能。
通過權利要求6標明的特征而實現(xiàn)在達到高機械性能值下確定度的保證和沉淀硬化的最高溫度穩(wěn)定性的頻率。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的進一步的構成中，下述情況是優(yōu)越的，即當熔融金屬與附加選擇出來了的組成成分制成合金，這些組成成分為直至1重量％的碳和直至0.2重量％的氮和形成單碳化物-和氮化物的元素釩、鈮、鉭、鈦和鋯，它們單個的、或組合的總含量直至2.45重量％，在此，單質碳和氮元素的含量與其形成單碳化物-或-氮化物的元素的比例分別為0.4-0.46，和通過金屬間相的沉淀而硬化的物件，例如(Fe，Co)7(W，Mo)6和通過精細分散的碳化物和/或氮化物或特殊氮化物的一個這樣的沉淀的重疊覆蓋而進行硬化。這種雙-或二相硬化有這種優(yōu)點，即由類金屬高溫穩(wěn)定的硬化通過一種類似于碳化物沉淀硬化的耐熱工具鋼的二次硬化而重疊覆蓋，這樣所形成的物件的機械高溫性能進一步提高。
這也是可能的，即進一步提高經(jīng)沉淀硬化的材料的高耐磨性，如果用于熱等靜壓壓制的經(jīng)氮氣霧化的金屬粉末在容器中壓制之前加入總量直至28體積％的一種或多種粉末粒度直至5μm的硬質材料粉末，并且在容器中均質分布。這樣所達到的優(yōu)點主要在于，硬質材料粉末是外源性的，對于基體組成成分的最佳化沒有影響。
如

圖1所示，根據(jù)在650℃下與時間相關的軟化試驗，根據(jù)本發(fā)明的試樣與這些根據(jù)現(xiàn)有技術的高速鋼試樣進行對比。
在表1中給出了試樣材料各自的化學成分。表2給出了所測試的試樣的熱處理參數(shù)和硬度值。
在圖1中根據(jù)本發(fā)明的用于工具的材料表現(xiàn)出更優(yōu)越的熱硬度。在此顯示出了在650℃下試樣的表面硬度(根據(jù)在試驗溫度下反彈-測試方法測出，根據(jù)DIN 51303-1975或JIS 7731-1976計算)與時間的關系走向。特別是在650℃下在大于10分鐘的時間后對于根據(jù)本發(fā)明的材料測得明顯小得多的硬度下降。
表1測試材料的化學成分
表2測試材料的熱處理
權利要求
1.一種耐熱工具，特別是用于無間斷地加工奧氏體鋼、鎳基合金和由鈦構成的材料的工具，其由含有下列以重量％計的成分的Fe-Co-W/Mo-高速切削合金構成鈷(Co) 15.0-30.0鎢(W) 4.0-30.0鉬(Mo) 6.0-22.0條件是，鎢的含量加上2倍鉬的含量為18.0-49.0(W+2Mo＝18.0至49.0)碳(C) 0.005-0.19氮(N0.01-0.1 鋁(Al) 上限為0.85硅(Si) 上限為0.85條件是，鋁的含量加上硅的含量最高為0.95(Al+Si) ≤0.95鎳(Ni)＜0.4錳(Mn)＜0.4鉻(Cr)＜1.3鐵和由煉制條件決定作為余量的雜質，作為工具材料，其以粉末冶金的方式通過用氮氣將合金霧化成粉末，隨即用熱等靜壓法(HIPen)將粉末壓成預制材料，并視情況通過預制材料的熱變形和/或冷變形而制備，這樣成型以后的工具通過固溶處理并隨即冷卻至室溫并隨后沉淀處理而硬化，并且具有大于65HRC的硬度。
2.根據(jù)權利要求1的耐熱工具，其高速切削合金的一種或多種元素或元素組限定在以重量％計的下列的濃度范圍內，Co 19.0-25.0，優(yōu)選為20.0-23.0W 10.0-25.0Mo 0.7-18.0， 優(yōu)選為8.0-14.0 0.7-1.6， 優(yōu)選為0.85-1.48W+2Mo 22.0-34.0，優(yōu)選為24.0-28.0C 0.008-0.16， 優(yōu)選為0.01-0.14N 0.02-0.08，優(yōu)選為0.025-0.068V、Nb、Ti、Zr、Ta(單個元素或這些元素的組合)0.14-0.8， 優(yōu)選為0.15-0.5Al 上限為0.7，優(yōu)選的上限為0.5Si 0.12-0.6， 優(yōu)選為0.15-0.5Al+Si 0.12-0.8， 優(yōu)選為0.15-0.6Ni ＜0.3，優(yōu)選為＜0.2Mn ＜0.3，優(yōu)選為＜0.2Cr ＜1.2，優(yōu)選為＜0.9
3.根據(jù)權利要求1或2的耐熱工具，其在工具材料中所形成的沉淀具有平均粒度為1-5μm，優(yōu)選為2-3.6μm，具有基本上是(Fe，Co)7(W，Mo)6的結構.
4.具有根據(jù)權利要求1-3的基體的耐熱工具，其含有總量至28體積％的，優(yōu)選為在20體積％以下的，特別優(yōu)選為5-15體積％之間的在其中均質分布的硬質相。
5.一種用來制備具有高熱硬度的物件的方法，特別是具有對奧氏體的鐵-和鎳-基、以及鈦材料高的無間斷性能的耐熱工具的制備方法，在該方法中，制備具有下列以重量％計的組成成分的熔融金屬鈷(Co) 15.0-30.0鎢(W) 4.0-30.0鉬(Mo) 6.0-22.0條件是，鎢的含量加上2倍鉬的含量為18.0-49.0(W+2Mo＝18.0至49.0)碳(C)0.005-0.19氮(N)0.01-0.1 鋁(Al) 上限為0.85硅(Si) 上限為0.85條件是，鋁的含量加上硅的含量最高為0.95(Al+Si)≤0.95鎳(Ni) ＜0.4錳(Mn) ＜0.4鉻(Cr) ＜1.3制成鐵和由煉制條件決定作為余量的雜質，通過用氮氣對熔融金屬噴氣成金屬粉末，之后，將合金粉末熱等靜壓法壓制成預制材料并在1200-950℃下進行可能的熱變形，隨即將其進一步加工成物件基體，這種物件基體在最終成型后，在高于1200-1300℃的溫度范圍內進行固溶處理，隨即進行淬火并在500-650℃下沉淀硬化退火，這樣物件的硬度達到高于65HRC的硬度值。
6.根據(jù)權利要求5的方法，將熔融金屬對于一種或多種元素和/或元素組限制在下列以重量％計的濃度范圍內Co 19.0-25.0， 優(yōu)選為20.0-23.0W 10.0-25.0Mo 7.0-18.0，優(yōu)選為8.0-14.0 0.7-1.6，優(yōu)選為0.85-1.48W+2Mo22.0-34.0， 優(yōu)選為24.0-28.0C 0.008-0.16， 優(yōu)選為0.01-0.14N 0.02-0.08， 優(yōu)選為0.025-0.068V、Nb、Ti、Zr、Ta(單個元素或這些元素的組合)0.14-0.8， 優(yōu)選為0.15-0.5Al上限為0.7， 優(yōu)選的上限為0.5Si0.12-0.6， 優(yōu)選為0.15-0.5Al+Si 0.12-0.8， 優(yōu)選為0.15-0.6Ni＜0.3， 優(yōu)選為＜0.2Mu＜0.3， 優(yōu)選為＜0.2Cr＜1.2， 優(yōu)選為＜0.9
7.據(jù)權利要求4或5的方法，在該方法中，熔融金屬附加地與直至1.0重量％的碳和直至0.2重量％的氮，并與形成單碳化物和氮化物的元素釩、鈮、鉭單個的、或組合的直至2.45重量％的總含量的組分制成合金，在此，元素碳和氮的含量與形成單碳化物或氮化物的元素的比例分別為0.4-0.46，并且物件通過金屬間相，例如(Fe，Co)7(W，Mo)6的沉淀和通過精細分散的碳化物和/或氮化物或特殊氮化物的一個這樣的沉淀的重疊覆蓋而進行硬化。
8.據(jù)權利要求4-6的方法，在該方法中，在用熱等靜壓法壓制通過氮氣噴氣的金屬粉末之前，在粉末中加入一種或多種具有直至5μm的粉末顆粒大小、總量直至28體積％的硬質材料粉末，并且在金屬粉末中均質分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種耐熱工具，以及一種用來制備具有高熱硬度的物件的方法。根據(jù)本發(fā)明，工具或物件由含有下列以重量％計的組成成分的Fe－Co－W/Mo－高速切削合金構成作為工具材料；鈷(Co) 15.0－30.0；鎢(W) 4.0－30.0；鉬(Mo) 6.0－22.0；條件是，(W+2Mo)＝18.0至49.0；碳(C) 0.005－0.19；氮(N) 0.01－0.1；釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉭(Ta)單個元素或這些元素的組合0.12－0.9。鐵和由煉制條件決定作為余量的雜質，作為工具材料，其以粉末冶金的方法制備，并在工具成型后經(jīng)固溶處理并隨即的至室溫的冷卻和之后的沉淀處理而硬化，其具有大于65HRC的硬度。
文檔編號C22C38/12GK1455014SQ0310826
公開日2003年11月12日 申請日期2003年3月27日 優(yōu)先權日2002年4月30日
發(fā)明者I·麥里, R·拉比什, W·利伯法特 申請人:博哈里爾特種鋼兩合公司