钛或钛合金接触表面的制作方法

专利名称：钛或钛合金接触表面的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及基本不含镍的非不锈性低合金钢用于制造至少接触固态钛或钛合金的物件表面的用途，以及用所述钢制造至少这种物件的表面的方法。
背景技术：
借助于用不同类型钢制成的热成形模具或工具制造钛基合金或钛合金零件是公知的。迄今为止，为了防止与钛和钛合金的实质性表面扩散反应，至少模具或工具上接触钛和钛合金的部分是用特选的钢制造的。
在该情形中，使用的钢是通过粉末冶金法制成的碳钢(MdP)、用于可复原模具部件的奥氏体不锈钢(MdP)、马氏体时效钢和用于等温、可能超塑性成形的高镍热强钢。
但是，这些钢不能充分限制与钛和钛合金的表面扩散。
还使用了其他类型的钢制造接触钛合金的模具。这些主要含铬和钼但是不含镍的高合金钢不与钛反应。但是，这些合金属于不锈钢类，与本发明生产的合金不同。
在以上两种情况中，尤其存在铁的扩散，并且可能形成金属间区，这使表面性质受损。还观察到显微结构的表面变化。
为了修正这一点，必须采取其他昂贵的操作，例如零件表面的防扩散涂层、化学溶解。
发明目的本发明的主要目的是解决如下新的技术问题为接触钛和钛合金的表面选择钢，所选的钢能够防止钢成分和铁的表面扩散引起的，特别是与钛和钛合金的任何实质性(可测量的)反应。
本发明的另一目的是通过一种简单、经济的方案解决该技术问题，该方案可以在工业规模上用于形成固态钛或钛合金。
发明概述和详述通过本发明，上述这些新的技术问题第一次用一种简单、经济、可靠、可重复的方法得到解决，这种方法可以在工业规模上应用。
根据第一方面，本发明涉及基本不含镍的非不锈性低合金钢用于制造至少接触钛或钛合金的物件表面的用途，该物件用于所述钛或钛合金的固态成形，例如用于钛或钛合金粉末的致密化和/或成形，或者用于实心钛或实心钛合金的成形。
根据本发明的第一实施方案，所述钢用于制造至少模具的接触面，该模具用于钛或钛合金的固态热成形。
根据本发明的第二实施方案，所述钢用于制造用于钛或钛合金粉末致密化和/或成形的工具。
根据本发明的第三实施方案，所述钢用于制造用于实心钛或实心钛合金固态成形的工具。
有利地，成形不限于形成“最终”部件，例如还可包括形成坯料，然后可以进行另一操作，例如锻造、模冲压或轧制。
有利地，使用一种低合金钢，其含有低于10wt％的合金元素，特别是，所述钢含有以下重量百分比的成分-镍低于或等于2.5％，优选低于或等于0.5％，-铬0.5％至4％，优选0.8％至2％，-碳低于或等于1，优选低于或等于0.4％；-其余成分铁和不可避免的杂质。
根据一个有利的实施方案，该用途的特征在于所述钢含有0.1-4wt％的钼，优选0.1-2wt％的钼，更佳为0.15-1wt％的钼。
根据另一个有利的实施方案，本发明用途的特征在于所述钢含有0.05-4wt％的钒，优选0.05-2wt％的钒，更佳为0.1-1wt％的钒。
根据本发明另一有利实施方案，前述任一项的用途的特征在于所述钢是18CD4级钢。
根据本发明另一有利实施方案，根据前述任一项的用途的特征在于所述钢是15CDV6级钢。
根据第二方面，本发明还包括制造至少接触钛或钛合金的物件表面的方法，该物件用于所述钛或钛合金的固态成形，例如，用于钛或钛合金粉末的致密化和/或成形，或者用于实心钛或实心钛合金的成形，该方法的特征在于包括用基本不含镍的非不锈性低合金钢制造所述表面，所述钢如前面和下面的描述(包括作为本发明组成部分的实施例，除非另外说明)所定义。这样，特别能够防止所述钢成分特别是铁的表面扩散引起的，与固态钛和钛合金的任何实质性(可测量的)反应。应用本发明的钢，能够显著防止本发明钢的组成元素在钛或钛合金中的粘附和扩散。表面显微结构不变，这与现有技术的钢所观察到的不同。有利地，应用本发明的钢，能够实现固态钛或钛基合金不受来自本发明物件之元素的可测量的污染。
根据本发明的第一实施方案，制造方法包括制造至少模具的接触面，该模具用于钛和钛合金的固态热成形。
根据本发明的第二实施方案，制造方法包括制造用于钛或钛合金粉末致密化和/或成形的工具。
根据本发明的第三实施方案，制造方法包括制造用于实心钛或实心钛合金固态成形的工具。
根据这两方面的一个具体实施方案，本发明的方法的特征在于热成形在至少等于500℃且低于1000℃，优选低于约980℃的温度下进行。
根据一个具体实施方案，该方法的特征在于进行TA6V级钛部件的成型。
根据另一具体实施方案，本发明的方法的特征在于钛基合金，特别是TA6V级合金的泵叶轮(pump impeller)是利用通过车削或研磨用所述低合金钢制成的工具制造的。
根据第四方面，本发明还涵盖包括接触钛或钛合金的接触面的物件，该物件用于钛或钛合金的固态成形，例如用于钛或钛合金粉末的致密化和/或成形，或者用于实心钛或实心钛合金的成形，其特征在于，至少该物件的所述接触面是用基本不含镍的非不锈性低合金钢制成的，这种钢如前面和下面的描述(包括作为本发明组成部分的实施例，除非另外说明)所定义，或者是通过如前面和下面的描述(包括作为本发明组成部分的实施例，除非另外说明)所定义的方法获得的。
根据第五方面，本发明还包括用于钛或钛合金粉末致密化和/或成形的工具，其特征在于，至少该工具的接触固态钛或钛合金的表面是用非不锈性低合金钢制成的，这种钢如前面和下面的描述(包括作为本发明组成部分的实施例，除非另外说明)所定义，或者是通过如前面和下面的描述(包括作为本发明组成部分的实施例，除非另外说明)所定义的方法获得的。
根据第六方面，本发明还包括用于实心钛或实心钛合金固态成形的工具，其特征在于，至少该工具的接触固态钛或钛合金的表面是用非不锈性低合金钢制成的，这种钢如前面和下面的描述(包括作为本发明组成部分的实施例，除非另外说明)所定义，或者是通过如前面和下面的描述(包括作为本发明组成部分的实施例，除非另外说明)所定义的方法获得的。
根据第七方面，本发明还包括用于钛或钛合金固态热成形的模具，例如用于钛或钛合金粉末致密化和/或成形，或者用于实心钛或实心钛合金成形，其特征在于，至少该模具的接触固态钛或钛合金的表面是用非不锈性低合金钢制成的，这种钢如前面和下面的描述(包括作为本发明组成部分的实施例，除非另外说明)所定义，或者是通过如前面和下面的描述(包括作为本发明组成部分的实施例，除非另外说明)所定义的方法获得的。
有利地，本发明涉及用于热处理的支持工具。
根据一个具体实施方案，所述钢的铬含量为0.5-4wt％，镍含量低于2.5wt％，碳含量低于1wt％。
本发明所用的钢可以通过锻造、轧制，然后通过机械加工或磨削制成，或者是铸钢。
优选地，这种钢经受退火条件，以改善尺寸可重复性。
根据所述用途的描述，参考本发明提供的几个优选实施例，本发明的其他目的、特征和优点对于本领域技术人员来说将是显而易见的，这些实施例只是对本发明的说明，而不是限制本发明的范围。在这些实施例中，除非另外说明，百分比是重量百分比，温度是摄氏度或室温，压力是大气压，气氛是空气。
实施例实施例1-7本发明的测试钢和比较钢本发明的(EX 1、EX 2A和EX 2B)和现有技术的(EX 3A、EX3B、EX 4和EX 5)下述可以购到的低碳钢和低合金钢，分别(特别是15CDV6级可从THYSSEN FRANCE SA MANUFACTURERS获得，18CD4级来自ASCOMETAL，100HLES级来自TECPHYFIRMINY)进行实施例8的检测，它们含有表1所示的下列化学分析成分，单位为重量百分比，其余成分是铁和不可避免的杂质。
表I钢的元素分析(wt％)

N.A.＝极少量存在的杂质，没有其定量数据。
实施例8对表I所列的实施例1-7的钢样品的检测A样品检测A.1机器磨制的样品由直径大约50mm、高度大约70mm的圆柱形容器制备样品。
该容器中填充标准TA6V粉末，并向粉末内放置用XES、XC18(批号23729)、18CD4(批号A4791)、15CDV6(批号78384)和100HLES(批号R2417)级低碳钢制造并通过研磨获得的20×10×10mm平行六面体插件。
表I中和表II中分别给出了钢插件和标准TA6V钛合金粉末的材料特征。
在902℃和100Mpa下热等静压压缩4小时致密化该容器。在硝酸中溶解除去钢。致密化后，进行下列研究■显微照相截面使用扫描显微镜，用EDAX探头在TA6V-钢界面处进行显微照相检查和扩散分布的测定。
■在硝酸中溶解钢插件后利用扫描显微镜进行TA6V中扩散分布的测定，表面几何形状的检查和粗糙度的测定。
表IITA6V粉末的特征元素分析(wt％)

制造■用旋转电极喷洒■过筛315μm检查结果如下1.XES插件(现有技术A4)■约5μm的连续金属间层。铁在TA6V中扩散超过约0.3mm■粗糙度Ra＝15μm
■钢中的粉末颗粒具有大的压痕■显微结构表面变化2.XC18衬件(现有技术A3A和A3B)■约5μm的连续金属间层。铁在TA6V中扩散超过约0.3mm■粗糙度Ra＝9-12μm■钢中的粉末颗粒具有显著的压痕3.18CD4插件(本发明的I1)■无任何金属间层。没有从钢向TA6V的元素扩散■粗糙度Ra＝5μm■钢中的粉末很少有压痕，三接点处形成菱形尖。
■显微结构表面无变化4.15CDV6插件(本发明的I2A和I2B)■无任何金属间层。没有从钢向TA6V的元素扩散■粗糙度Ra＝3-4μm■钢中的粉末很少有压痕，三接点处未形成任何菱形尖。
■显微结构表面无变化5.100HLES插件(现有技术A5)■根据位置不同，有0-20μμm的不规则金属间层。铁向TA6V内扩散达0.3mm。
■粗糙度Ra＝2-3μm■钢中的粉末很少有压痕。
A.2利用机具加工(车削或研磨)以外的技术制造的插件对下列组合研究了获得钢插件的方法的影响■标准TA6V-通过水喷射切割加工的18CD4(批号A4791)■标准TA6V-通过熔模铸造获得的25CD4■TA6V ELI-通过电火花加工(电火花线切割)获得的15CDV6(批号1470)。
通过所谓的热等静压(HIC)(920℃，100Mpa，4小时)进行致密化。
对钢-TA6V界面进行显微照相检查，以揭示两种材料之间可能的扩散。前两种组合未检测到扩散。而电火花加工的组合TA6V ELI-15CDV6显示多处扩散。
B对部件的检测B1.ISOPREC法使用ISOPREC法，能够获得成型的具有良好尺寸精度的部件，至少其表面的一部分是不经任何机器精整操作产生的。该部件是通过在包括一个腔体的非不锈钢模具中HIC(热等静压)不锈预合金粉末进行致密化而产生的，该腔体具有计算的尺寸，以获得需要的最终几何形状。通过机械加工和硝酸溶解除去加工模具或工具。
泵叶轮是按照ISOPREC法由TA6V和通过车削和研磨制成的钢制工具制造的。产生下列组合■标准TA6V-XC18批号69181■标准TA6V-18CD4批号A4791(本发明的I1)■TA6V ELI-18CD4批号A4791(本发明的I1)■TA6V ELI-15CDV6批号78384(本发明的I2A)■TA6V ELI-15CDV6批号1470(本发明的I2B)提醒一下，所用材料的特征在表I和表II中给出。
通过HIC(920℃，100Mpa，4小时)致密化并通过硝酸溶解除去钢制工具后，表征其表面的粗糙度和铁污染(检测极限为0.25％)。
用样品获得的结果得到广泛证实。由于在容器填充过程中的粉末粒度偏析，可恰好注意到略高的粗糙度分散。
B2.利用热处理的支持工具制造半球体该方法涉及支持直径为550mm、厚度为5mm的标准TA6V半球体。该半球体在真空和大约870℃下放置1小时，使用由18CD4制成的具有相同凹陷几何形状的工具支持。
该处理后，获得的结果显示没有铁引起的表面污染和变形。
这清楚地证实了这种钢可以用于制造热处理用的支持工具，以阻制扩散反应，特别是铁的扩散反应。
B3.通过粉末致密化制造坯料，然后进行锻造的方法通过粉末致密化制造坯料，然后对该坯料进行锻造。
对根据

图1的圆柱形容器进行热等静压(HIC)致密化(例如920℃，100Mpa，4小时)，制造这种坯料。
圆柱形容器(1)包括中心料柱(10)、外包套(20)和用于密封端部的部件(40，41)。
该圆柱形容器(1)具有凹槽(30)用于收集填充的材料，例如粉末(50)。外包套(20)的厚度为3mm。
作为示例性说明，经HIC从这个圆柱形容器(1)制造了外径为50mm、内径为30mm、长度为200mm的圆柱体。
中心料柱用18CD4制成，外包套用XC18制成。
该容器中填充标准TA6V粉末。将获得的圆柱体刮削为直径45mm，以便除去XC18包套和致密化时产生的扩散区。
这样获得的坯料在大约900-920℃下铸造，压缩板层之间的直径至35mm的高度。18CD4中心料柱通过硝酸溶解除去。
结果表明，截面显示-材料规则变形；-在预先接触18CD4料柱的TA6V圆柱体表面处完全没有扩散。
这样，18CD4消除扩散反应的用途也证实可用于制造接触TA6V的工具或模具。
本发明包括在技术上相当于本说明书总体描述的这些方法的所有技术方案。另外，相对于所有现有技术看起来新颖的任何特征都是本发明的组成部分，同样要求保护其共性或功能。
权利要求
1.基本不含镍的非不锈性低合金钢用于制造至少接触钛或钛合金的物件表面的用途，该物件用于所述钛或钛合金的固态成形，例如用于钛或钛合金粉末的致密化和/或成形，或者用于实心钛或实心钛合金的成形。
2.根据权利要求1的用途，其中所述钢用于制造至少模具的接触面，该模具用于钛或钛合金的固态热成形。
3.根据权利要求1的用途，其中所述钢用于制造用于钛或钛合金粉末致密化和/或成形的工具。
4.根据权利要求1的用途，其中所述钢用于制造用于实心钛或实心钛合金固态成形的工具。
5.根据权利要求1的用途，其中所述低合金钢含有低于10wt％的合金元素，特别是，所述钢含有以下重量百分比的成分-镍低于或等于2.5％，优选低于或等于0.5％，-铬0.5％至4％，优选0.8％至2％，-碳低于或等于1，优选低于或等于0.4％；-其余成分铁和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1或2的用途，其中所述钢含有0.1-4wt％的钼，优选0.15-2wt％，更佳为0.15-1wt％的钼。
7.根据前述权利要求中任一项的用途，其中所述钢含有0.05-4wt％的钒，优选0.05-2wt％的钒，更佳为0.1-1wt％的钒。
8.根据前述权利要求中任一项的用途，其中所述钢是18CD4级钢。
9.根据前述权利要求中任一项的用途，其中所述钢是15CDV6级钢。
10.制造至少物件的表面的方法，该物件将接触例如钛或钛合金，用于所述钛或钛合金的固态成形，或者用于钛或钛合金粉末致密化和/或成形，或者用于实心钛或实心钛合金的成形，其中该方法包括用根据权利要求1-9中任一项所述的基本不含镍的非不锈性低合金钢制造所述表面。
11.根据权利要求10的制造方法，其中该方法包括至少模具接触面的制造，该模具用于钛或钛合金的固态热成形。
12.根据权利要求10的制造方法，其中该方法包括制造用于钛或钛合金粉末致密化和/或成形的工具。
13.根据权利要求10的制造方法，其中该方法包括制造用于实心钛或实心钛合金固态成形的工具。
14.根据权利要求10的方法，其中热铸在至少等于500℃且低于1000℃，优选低于约980℃的温度下进行。
15.根据权利要求10或11的方法，其中部件的成型用TA6V级钛实现。
16.根据权利要求10至15中任一项的方法，其中钛基合金，特别是TA6V级合金的泵叶轮是利用由所述低合金钢通过车削或研磨制成的工具制造的。
17.根据权利要求10至16中任一项的方法，其中为了改善尺寸可重复性，对钢进行退火。
18.一种物件，其包括一个接触面，该接触面将接触钛或钛合金，用于所述钛或钛合金的固态成形，例如用于钛或钛合金粉末致密化和/或成形，或者用于实心钛或实心钛合金的成形，其中至少该物件的所述接触表面是用根据权利要求1至9中任一项所述的基本不含镍的非不锈性低合金钢制成的，或者是通过根据权利要求10-17中任一项所述的方法获得的。
19.用于钛或钛合金粉末致密化和/或成形的工具，其中至少该工具的接触固态钛或钛合金的表面是用根据权利要求1至9中任一项所述的非不锈性低合金钢制成的，或者是通过根据权利要求10-17中任一项所述的方法获得的。
20.用于实心钛或实心钛合金成形的工具，其中至少该工具的接触固态钛或钛合金的表面是用根据权利要求1至9中任一项所述的非不锈性低合金钢制成的，或者是通过根据权利要求10-17中任一项所述的方法获得的。
21.一种用于钛或钛合金固态热成形的模具，其用于钛或钛合金粉末致密化和/或成形，或者用于实心钛或实心钛合金的成形，其中至少该模具的接触固态钛或钛合金的表面是用根据权利要求1至9中任一项所述的非不锈性低合金钢制成的，或者是通过根据权利要求10-17中任一项所述的方法获得的。
全文摘要
本发明主要涉及基本不含镍的非不锈性低合金钢用于制造接触钛或钛合金的物件的至少一个表面的用途，以及制造至少这种物件的表面的方法。具体地，本发明涉及所述合金的以下用途制造用于钛基合金或钛合金固态热成形的模具的至少接触表面，或者制造用于钛或钛合金固体合金或粉末致密化或成形的工具的至少接触表面。本发明还能够制造用来接触钛或钛合金的物件。
文档编号B22F3/00GK1829814SQ200480021674
公开日2006年9月6日 申请日期2004年7月30日 优先权日2003年8月1日
发明者热拉尔·盖松, 多米尼克·科万, 迪迪埃·吉夏尔 申请人:奥贝特迪瓦尔公司