耐腐蚀和磨损的冷作工具钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及耐腐蚀和磨损的冷作(冷加工，cold work)工具钢、和冷作钢的制造方 法、W及该冷作工具钢的用途。
【背景技术】
[0002] 近年来，氮合金化的马氏体工具钢已经被引入市场并取得相当大的兴趣，因为它 们组合了高的耐磨性和优异的耐腐蚀性。运些钢具有大范围的应用，例如用于模塑侵蚀性 塑料(aggressive plastic)、用于食品加工中的刀具和其它组件、W及用于减少医药工业 中由腐蚀引发的污染。
[0003] 所述钢通常用粉末冶金制造。将基础钢（basic steel)组合物首先粉化 (atomize),并随后经历氮化处理W将期望量的氮引入粉末。之后，将所述粉末填充至包套 (capsule)并经历热等静压化IP) W制造各向同性钢。
[0004] 通常，相比于常规工具钢，将碳量降低至非常低的水平。通过用氮替代大部分的碳 可将M?C3和M23C6型的富铭碳化物用非常稳定的丽型-氮化物的硬质粒子替代。
[0005] 实现了两个重要效果。首先，相对软的和各向异性的M7C3-碳化物相（a 1700HV)被 小的均匀分布的MN型硬质相的非常硬且稳定的相（-2800HV)所代替。由此，在相同体积分 数的硬质相的情况下改善了耐磨性。第二，在硬化溫度下的固溶体中的Cr、Mo和N的量非常 大地增加，因为较少的铭结合在硬质相中，且因为M23C6和M?C3型碳化物对氮没有任何溶解 性。由此，较多的铭留在固溶体中，且增强了薄的富铭表面纯化膜，其导致对一般腐蚀和点 蚀(pitting corrosion)的抵抗性增加。
[0006] 因此，为了获得良好的腐蚀性质，已经将碳含量限制至在DE 42 31 695A1中的小 于0.3%C、优选小于0.1%C和在WO 2005/054531 Al中的 <0.12%C。
【发明内容】
[0007] 本发明的一般目的是提供具有改善的性质(尤其是良好的耐腐蚀性和高硬度的组 合)的粉末冶金(PM)制造的氮合金化的冷作工具钢合金。
[0008] 具体目的是提供在固定的铭含量下具有改善的耐腐蚀性的氮合金化的马氏体冷 作工具钢合金。
[0009] 另一目的是提供所述材料的制造方法。
[0010] 前述目的W及额外的优点通过提供具有如合金权利要求中阐述的组成的冷作工 具钢在很大程度上得W实现。
[0011] 在权利要求书中限定了本发明。
【具体实施方式】
[0012] W下简要地对要求的合金的化学成分的限制W及单独元素及其彼此的相互作用 的重要性进行解释。钢的化学组成的所有百分比在整个说明书中W重量给出。
[0013] 碳(0.3-0.8%)
[0014] 碳Wo. 3%、优选至少0.35%的最小含量存在。在高碳含量下，M23C6和M?C3型的碳化 物将在钢中形成。因此，碳含量不应该超过0.8%。可将碳的上限设置为0.7%或0.6%。优选 地，碳含量限制至 0.5%。优选的范围是 0.32-0.48%、0.35-0.45%、0.37-0.44% 和 0.38-0.42%。在任何情形下，都应该控制碳的量使得所述钢中的M23C6和M?C3型的碳化物的量限制 至10体积％，优选的是，所述钢不含所述碳化物。
[0015] 氮(1.0-2.2%)
[0016]与碳相反，氮不能包含于M7C3中。因此，氮含量应该比碳含量高得多W避免M7C3-碳 化物的沉淀。为了得到期望的硬质相的类型和量，相对于强的碳化物形成物(前体，former) (尤其是饥)的含量平衡氮含量。氮含量限制在1.0-2.2%、优选1.1-1.8%或1.3-1.7%。 [0017] (C+N)(1.3-2.2%)
[001引碳和氮的总量是本发明的必要特征。（C+N)的组合量应该在1.3-2.2%、优选1.7-2.1%或1.8-2.0%的范围内。
[0019] C/N(0.17-0.50)
[0020] 碳和氮的合适平衡是本发明的必要特征。通过控制碳和氮的含量可控制硬质相的 类型和量。具体地，六方相MsX的量将在硬化后降低。因此，C/N比值应该为0.17-0.50。下限 比值可为 0.18、0.19、0.20、0.21、0.22、0.23、0.24或0.25。上限比值可为0.5、0.48、0.46、 0.45、0.44、0.42、0.40、0.38、0.36或0.34。可自由地组合上限比值和下限比值。优选的范围 为0.20-0.46和0.22-0.45。
[0021] 铭（13-30%)
[0022] 当铭W至少11%的溶解量存在时，其导致在钢表面上纯化膜的形成。铭应该W13-30%的量在钢中存在，W赋予钢良好的泽透性及抗氧化性和耐腐蚀性。优选地，Cr是W大于 16%的量存在的，W保证良好的耐点蚀性。下限根据期望应用设置，且可为17%、18%、 19%、20%、21%或22%。然而，Cr是强的铁素体形成物，且为了避免硬化后的铁素体，需要 控制所述量。由于实践的原因，可将上限降低至26%、24%或甚至22%。优选的范围包括16-26%、18-24%、19-21 %、20-22%和21-23%。
[0023] 钢(0.5-3.0%)
[0024] 已知Mo对泽透性具有非常有利的效果。改善耐点蚀性也是已知的。最小含量为 0.5%，且也可设置为0.6%、0.7%、0.8%或1.0%。钢是强的碳化物形成元素且也是强的铁 素体形成物。因此，钢的最大含量为3.0%。优选地，钢限制至2.0%、1.7%或甚至1.5%。
[0025] 鹤（<1%)
[00%]原则上，钢可被两倍的鹤所代替。然而，鹤是昂贵的，且它也使废金属的处理复杂 化。因此，最大量限制至1 %、优选0.2%，且最优选不进行添加。
[0027] 饥(2.0-5.0%)
[0028] 饥在钢的基质中形成均匀分布的M(N，C)型的初生沉淀氮碳化物。在本申请的钢 中，M主要是饥，但可存在显著量的Cr和Mo。因此，饥应该W2-5的量存在。上限可设置为 4.8%、4.6%、4.4%、4.2%或4.0%。下限可为2.2%、2.4%、2.5%、2.6%、2.7%、2,8%、 2.8%和2.9%。所述上限和所述下限可在权利要求1中列出的限值内自由组合。优选的范围 包括2-4 %。
[0029] 妮（。.〇%)
[0030] 妮与饥的类似之处在于它形成M(N，C)型的氮碳化物，且原则上可用于代替饥但相 比于饥要求双倍量的妮。因此，Nb的最大添加为2.0 %。（V+Nb/2)的组合量应该为2.0-5.0%。然而，Nb导致M(N，C)的形状更尖(有角的，angular)。因此，优选的最大量为0.5%。优 选地，不添加妮。
[0031] 娃（<!.0%)
[0032] 娃用于脱氧。Si在钢中W溶解形式存在。Si是强的铁素体形成物并因此应该限制 至 < 1.0%。
[0033] 儘（0.2-2.0%)
[0034] 儘有助于改善钢的泽透性，并且儘与硫一起通过形成硫化儘有助于改善机械加工 性。因此，儘应该W 0.2 %的最小含量、优选至少0.3 %存在。在较高的硫含量下，儘阻止钢的 热脆性。钢应该包含最大2.0 %、优选最大1.0 %的Mn。优选的范围是0.2-0.5 %、0.2-0.4 %、 0.3-0.5%和 0.3-0.4%。
[003引儀（<5.0%)
[0036] 儀是任选的，且可W最高至5%的量存在。它赋予钢良好的泽透性和初性。由于昂 贵，应该尽可能地限制钢的儀含量。相应地，Ni含量限制至1 %、优选0.25%。
[0037] 铜（。.〇%)
[0038] Cu是任选元素，其可有助于增大钢的硬度和耐腐蚀性。如果使用，优选的范围是 0.02-2%，且最优选的范围是0.04-1.6%。然而，一旦已经添加铜则不可能从钢提取出。运 急剧地使废料处理更加困难。由于该原因，正常情况下，不故意添加铜。
[0039] 钻（<10.0%)
[0040] Co是任选元素。它有助于增大马氏体的硬度。最大量为10%，且如果添加，有效量 为约4-6%。然而，由于实践的原因、例如废料处理，不故意添加 Co。优选的最大含量为 0.2%。
[OOW 硫（<0.5%)
[0042] S有助于改善钢的机械加工性。在较高的硫含量下，存在热脆性的风险。此外，高的 硫含量可对钢的疲劳性质具有不利效果。因此，钢应该包含含0.5%、优选含0.035%。
[0043] 86、81、56、]\%和1?6]\1(稀±金属）
[0044] 可将运些元素 W所要求的量添加至钢W进一步改善机械加工性、可热加工性和/ 或焊接性。
[0045] 棚（含 0.01%)
[0046] 可使用BW进一步增大钢的硬度。将量限制至0.01 %、优选含0.004%。
[0047] TiJr'A^Pl'a
[0048] 运些元素是碳化物形成物，且可W所要求的范围存在于合金中W改变硬质相的组 成。然而，正常情况下，运些元素均不添加。
[0049] 硬质相
[0050] 硬质相MX、M2X、M23C6和M7C3的总含量应该不超过50体积％，其中M是W上详细说明 的金属中的一种或多种，尤其是V、Mo和/或Cr,且X为C、N和/或B，和其中所述硬质相的含量 满足W下要求(W体积％计）：
[0化1 ]
[0052] 更优选地，MX的含量为5-15体积％，M2X的含量为< 3体积％，和M23C6+M7C3的含量< 3体积％。最优选地，所述钢不含组分M?C3。
[005；3] WE
[0化4] 耐点蚀性当量(pitting resis1:ance equivalent,PRE)通常用于定量不诱钢的耐 点蚀性。较高值表示较高的耐点蚀性。对于高氮马氏体不诱钢，可使用如下表达式：
[005引 PRE=%^+3.3%j^+30%N
[0056]其中％竺、是经计算的在奥氏体化溫度(Ta)下在基质中溶解的平衡含 量，其中在奥氏体中溶解的铭含量为至少13%。溶解含量能用关于实际奥氏体化溫度(Ta) 的化ermo-hlc计算，和/或在泽火后的钢中测量。
[0化7] 所述奥氏体化溫度(Ta)在950-1200。(：、典型地1080-1150。(：的范围。
[0058] 根据W上推理，在奥氏体化溫度下的奥氏体组成可对钢的耐点蚀性具有相当大的 影响。经计算的PRE-值的下限可为25、26、27、28、29、30、31、32或33。
[0059] 高氮不诱钢是基于碳被氮代替。通过用氮替代大部分的碳，可用MN-型氮化物的非 常稳定的硬质粒子替代M?C3和M23C6型富铭碳化物。因此，在硬化溫度下固溶体中的Cr、Mo和N 的量非常大地增加，因为较少的铭结合在硬质相中和因为M23C6和M?C3型碳化物对氮没有任 何溶解性。由此，较多的铭留在固溶体中且加强了薄的富铭表面纯化膜，其导致增大的耐一 般腐蚀性和耐点蚀性。相应地，将预期，如果碳代替一部分所述氮，则耐点蚀性将降低。因 此，本领域已知的高氮不诱钢具有低的碳含量。
[0060] 然而，本发明人已经惊奇地发现可通过将碳含量增大至0.3% W上来增大耐腐蚀 性，如将结合实施例进行讨论的。
[OOW] 钢的制造
[0062] 具有所要求的化学组成的工具钢可通过常规的气体粉化、随后将粉末氮化后进行 HIP而制造。在气体粉化之后在钢中的氮含量通常小于0.2%。因此，余下的氮在粉末的氮化 处理期间添加。在固结后，钢可W经HIP的形式使用，或者成形为期