粉末冶金制造的高速钢的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有以下化学组成的高速钢，其包含，以重量％计：0.6-2.1C，3-5Cr，4-14Mo，最多5W，最多15Co，0.5-4V，余量的铁和制造材料中的杂质，该钢是粉末冶金制造的，且具有的Si含量为0.7＜Si≤2。
【专利说明】粉末冶金制造的高速钢
[0001]此案是申请日为2006年9月7日、中国申请号为200680032836.3(国际申请号为PCT/SE2006/050318)、发明名称为“粉末冶金制造的高速钢”的发明申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及具有以下化学组成的高速钢，其包含，以重量％计:0.6-2.lC，3_5Cr，
4-14Mo，最多5W，最多15Co和0.5-4V，余量的铁和制钢中的杂质。该高速钢用于切削应用中，如钻头、铣刀和带锯。
【背景技术】
[0003]用于如钻头、铣刀和带锯的切削应用中的钢的特征应优选为具有良好的可磨性和高的边缘强度。具有这些特性的材料的实例为常规制造的高速钢HS2-9-1-8，其化学组成为:1.0-1.15C, 7.50-9.0Co, 3.50-4.50Cr, 9.00-10.0OMo, 0.90-1.5V, 1.20-1.90W 以及最多 0.70Si。
[0004]常规制造的高速钢中硅的高含量常产生大量的碳化物，例如这种大量的碳化物会不利地影响可磨性及边缘强度。良好的边缘强度将会促成较长的寿命、平稳的寿命，且能实现高速进料，即边缘的高负载。良好可磨性的重要性主要在于由钢制造工具的过程中，因为切削边缘的研磨等是耗时的作业。
[0005]发明简述
[0006]本发明的目的是提供切削应用中所用的材料，并且其在硬度及边缘强度方面具有改善的的特性。有点出人意料的 是，通过一种高速钢实现了该目的，该高速钢的特征为由粉末冶金制造且具有Si含量的范围为0.7<Si ( 2重量％。除此之外，这种材料还应满足以下标准中的一些:它应具有改善的韧性/强度、寿命和可磨性，同时，这种材料和目前已知的这种应用的材料一样，应易用于轻型机械(如具有刀具、车削(turn)和钻头的研磨机)中使用。
[0007]根据本发明其他方面，所述钢:
[0008]-包含最多1.5Si，更优选最多1.1Si。
[0009]-包含0.7-0.9Si，优选 0.75-0.85Si，最优选 0.78-0.82Si。
[0010]-包含最多1.5C，优选 1.0-1.15C。
[0011]-包含最多3.5-4.5Cr，优选 3.7-4.0Cr。
[0012]-包含6-12Mo，优选 9-lOMo，最优选 9.2-9.7Mo。
[0013]-包含1-3W，优选 1.2-1.9，最优选 1.3-1.7W。
[0014]-包含最多12Co，优选 7.5-9.0(:0，最优选7.7-8.2(:0。
[0015]-包含0.9-2.5V，优选最多 1.5V，最优选 1.1-1.2V。
[0016]-在1100-1200°C的温度下硬化。
[0017]-用于双金属锯片时，优选使用600_650°C的回火温度,且回火时间在0.5_10分钟之间。[0018]-用于其它类型切削作业时，优选使用500-600°C的回火温度，且回火时间在
0.5-4小时之间。
[0019]附图简述
[0020]图1是显示硬度作为回火温度函数的示图，
[0021]图2是显示韧性作为硬度函数的示图，和
[0022]图3是显示在硬化条件下硬度作为硅含量函数的示图。
[0023]发明详述 [0024]在没有将本发明限于任何具体理论的情况下，不同的合金元素以及不同的结构元素在获得所期望的性能中的重要性将更详细地说明。在合金元素的情况下，百分比总是以重量％给出，且在结构元素的情况下，百分比总是以体积％给出，除非另有说明。
[0025]碳应以0.6-2.1%、更优选0.6-1.5%、最优选1.0-1.15%的含量存在，以便当溶解于马氏体中时在硬化和回火的条件下得到一种适于应用的硬度。此外碳应与钒相结合以有利于得到足够量的初生沉淀的MX-碳化物，并且与钨、钥和铬相结合以有利于在基体中得到足够量的初生沉淀的M6X-碳化物。这种碳化物的目的是能给材料以其所期望的耐磨性。此外，它们有助于使钢具有精细粒状的结构，因为碳化物可起到限制晶粒生长(graingrowth)的作用。在本发明一个优选的实施方案中，碳含量在1.06-1.10%之间。
[0026]在某种程度上，碳可被氮代替，如果氮气用作雾化和保护用的介质时，例如氮可在制造过程中如在雾化中加入到材料中。因此，通过粉末冶金制造方法可得到在钢中至多约
0.3%的氮含量。因此，应理解钢中形成的碳化物还可包含一定量的氮，这意味着术语“碳化物”也应包含碳氮化物和/或氮化物。
[0027]硅应以至少0.7%的含量存在，目的是使钢达到所需的硬度、韧性和研磨耐久性的结合。然而增加硅含量可导致在消耗次生沉淀的碳化物(如MC-和M2C-碳化物)的情况下增加初生沉淀的M6C-碳化物的量。大量硅也会不利地影响回火后的硬度，这意味着所述钢优选应包含不大于2%、更优选不大于1.5%、最优选不大于1.0%的Si。
[0028]在本发明一个优选的实施方案中，硅含量为0.7-0.9%，更优选0.75-0.85%，最优选 0.78-0.82%。
[0029]锰也可以主要以冶金熔体工艺中的残留产物存在，其中锰具有通过形成硫化锰而使含硫杂质失去作用的已知效应。锰在所述钢中的最大含量为3.0%，优选不大于0.5%，标称约0.4%的锰。
[0030]硫在所述钢中可以作为制备钢的残留物存在，在含量至多为800ppm时，不影响钢的机械性能。硫可以故意地加入作为合金元素，最多为1%，从而有助于改善机械性能。
[0031]磷也在所述钢中作为制造钢的残留物存在，在含量至多为800ppm时，不影响钢的机械性能。
[0032]铬在所述钢中应以至少3%的含量存在，优选为至少3.5%，以使当溶解在钢的基体中时在硬化和回火后有助于使钢达到足够的硬度和韧度。铬也可以通过包含在初生沉淀的硬相颗粒中以有利于钢的耐磨性，硬相颗粒主要是M6X-碳化物。其他的初生沉淀的碳化物也含有铬，然而不在相同的程度。然而太多的铬将产生残余的奥氏体的风险，其是难以转变的，特别是在与大量硅结合时。因此所述钢最多不应含有大于5%、优选不大于4.5%的铬。在一个优选的实施方案中所述钢含有3.7-4.0%的铬。[0033]钥和钨正象铬那样在硬化和回火后有利于钢的基体得到足够的硬度和韧度。钥和钨也能包含在初生沉淀的M6X型的碳化物中并且如此其将有利于钢的耐磨性。其他的初生沉淀的碳化物也含有钥和钨，然而不在相同的程度。要选择限度以便通过与其他的合金元素相适应而产生合适的性能。原则上钥和钨可以部分地或完全地互相替代，这意味着钨可以被一半的钥量替代，或钥可以被双倍的钨量替代。高含量的硅可导致在马氏体中钥的缺失，且也导致硬化后钨缺失至一定程度，这将导致硬化和回火条件下硬度减少。然而已表明，对本发明的钢尤其是考虑钢中硅的含量，并使钥的含量远大于钨的含量是有利的，从而所述钢可得到所需量的次生沉淀的碳化物。因此，所述钢中钥的含量应在4-14%的范围，更优选6-12%，且合适地为9-10%。所述钢中钨的含量应为最多5%，更优选1-3%，且合适地为1.2-1.9%。在一个优选的实施方案中，所述钢包含9.2-9.7%的钥和1.3-1.7%的钨。
[0034]钴在所述钢中的任选存在取决于钢的用途。对于钢通常在室温下使用或通常在使用中不加热到特别高的温度下的应用，那么钢不应含有故意加入的钴，因为钴减小钢的韧性。假如所述钢用于薄片切削(chip cutting)工具中，对此热硬度是重要的，则对此合适的是含有大量的钴，在这情况下其可有至多15%的含量，更优选不大于12%。为获得期望的热硬度，合适的钴含量为7.5-9%。在一个优选的实施方案中，所述钢包含7.7-8.2%的钴。
[0035]钒在所述钢中的含量应为至少0.5和至多4%，以与碳一起形成非常硬的碳化钒，即MC-型硬材料。为避免较大的MC-碳化物对钢的可磨性的不利影响，所述钢应优选不含大于2.5%、更优选不大于1.5%的钒。为获得期望的次生硬化，所述钢应包含至少0.9%的钒。在一个优选的实施方案中，所述钢包含1.1-1.2%的钒。
[0036]任选地，钒可以完全或部分被铌替代，但适合地所述钢不包含任何慎重加入的铌，因为在钢制件中其会使废料处理复杂化。
[0037]此外，根据本发明的钢不应含有任何故意加入的附加合金元素。铜、镍、锡和铅以及碳化物形成物，如钛、锆和铝可允许的总量不大于1%。除了这些元素和上述的元素外，所述钢除了含有不可避免的杂质和其他从钢的冶金熔体处理中得来的残留物外不再含有其他的元素。
[0038]本发明的钢优选通过热等静压制制造。由金属粉末填充套管(capsule)。优选预合金化该金属粉末，但也可使用不同粉末的混合物以使最终的钢包含合适量的合金元素。填充之后，密封该套管。之后将该套管以冷等静压机例如Asea QI 100压制，压力为至少1000巴，优选约4000巴。之后将该套管放置在预热炉内，其中温度逐步上升至温度900-1250°C，例如1130°C，而不经受任何外部施加的压力。预热之后，将该套管转移至热等静压机，例如HIPen Asea QI80，其中施加的压力至少高于500巴，例如1000巴，温度为900_1250°C，例如1150°C。控制温度以使材料在没有液相存在的情况下固结。无液相存在下的材料固结限制了碳化物的生长，从而增加可磨性和边缘强度。(例如通过使用挤压在无液相存在情况下也可实现材料的固结。)此时钢材就完成了，可进行制钢工业中常使用的进一步的处理，如锻造、轧制、回火等。本领域的技术人员认识到，冷等静压步骤和随后的预热步骤的使用主要是因为经济原因，将密封的套管直接转移至热等静压机而不进行之前的冷压或预热也是非常良好的。
[0039]显微组织
[0040]根据本发明的钢应具有不大于8体积％，优选不大于5体积％，和更优选不大于3体积％的MC-碳化物的含量，其中至少80%，优选至少90%，和更优选至少95%的MC-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于4 μ m，优选不大于3.5 μ m，和更优选不大于3 μ m。就M6C-碳化物-形成元素铬、钥和钨而言所述钢的组成也应是平衡的，以使所述钢中的M6C-碳化物的含量不大于25体积％,优选不大于20体积％,和更优选不大于17体积％，其中至少80%，优选90%，和更优选至少95%的M6C-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于9 μ m,优选不大于7 μ m,和更优选不大于5 μ m。
[0041]在本发明一个优选的实施方案中，所述高速钢的特征为具有不大于3体积％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长伸长方向上不大于3.5 μ m ;且具有M6C-碳化物的含量不大于17体积％，其中至少99%的M6C-碳化物的碳化物尺寸在碳化物的最长伸长方向上不大于7 μ m,优选不大于5 μ m。
[0042]根据本发明的高速钢在其软退火的条件下具有的Brinell硬度为约250-270HB，其可与常规制造的HS2-9-1-8型高速钢相比，这是重要的，因为其证实该材料应和常规制造的HS2-9-1-8型材料一样，易用于轻型机械(如具有刀具、车削(turn)和钻头的研磨机)。
[0043]根据本发明的钢具有一种显微组织，其在硬化和回火的条件下由含有MC-碳化物和M6C-碳化物的回火马氏体的结构构成，MC-碳化物和M6C-碳化物在马氏体中均匀分布，其可通过以下而得到:由1100-1200°C之间的奥氏体化温度硬化产物，冷却至室温并在500-650°C的温度下回火。根据应用领域修改回火工序以获得期望的目的性能的组合。如果钢用于双金属锯片，合适地使用600-650°C的回火温度和0.5-10分钟的回火时间。如果钢用于其它类型的切削作业，例如用于制造钻头、铣刀、锯或其它整体工具，适合使用500-600°C的回火温度和0.5-4小时的回火时间。所谓“整体工具”是指由单一材料制造的工具，但它可以具有其它一些材料涂覆的表面作为相对薄的表面层，这些材料如氮化钛、氮化铝钛。通过这种热处理，可使钢获得一种显微组织，该显微组织使钢具有良好的强度并结合有良好的硬度、改善的韧性、寿命和可磨性。在硬化和回火条件下可获得65-7IHRC的硬度，其比目前已知的切削应用的高速钢高1-2HRC单位。
[0044]实验内容
[0045]在大规模试验中制造10吨的高速钢(钢A)，通过氮气雾化由该钢制造钢粉末。从该粉末制造套管，该套管通过热等静压(HIP:1ng)压制。该钢与参比材料(钢B)对比,参比材料为常规制造的HS2-9-1-8型材料。测试材料的化学组成如下表1所示。
[0046]表1
[0047]
【权利要求】
1.粉末冶金制造的高速钢，其在不存在液相的情况下固结，其按重量％计包括:
0.6-1.15C,
0.6-1.15C+N, 最多0.3N
3-5Cr,
4-14Mo, 最多3W， 最多15Co，
0.5-4V,
0.5-4Nb+V,
0.7-1.0Si, 最多3.0Mn, 最多1S， Cu+Ni+Sn+Pb+Ti+Zr+Al 最多为 1， 余量为Fe和杂质。
2.根据前述权利要求任一项 所述的高速钢，其特征在于其包含0.7-0.9Si。
3.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含0.75-0.85Si。
4.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含0.78-0.82Si。
5.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含1.0-1.15C。
6.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含6-12Mo。
7.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含9-lOMo。
8.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含9.2-9.7Mo。
9.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含1-3W。
10.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含1.2-1.9，优选1.3-1.7W。
11.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含最多12Co。
12.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含7.5-9.0Co0
13.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含7.7-8.2Co。
14.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含0.9-2.5V。
15.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含最多1.5V。
16.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含1.1-1.2V。
17.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其包含最多0.5Mn。
18.根据前述权利要求任一项所述的高速钢，其特征在于其具有的MC-碳化物的含量不大于3体积％，其中至少99%的MC-碳化物在该碳化物最长伸长方向上的碳化物尺寸不大于3.5 μ m,且其具有的M6C-碳化物的含量不大于17体积％，其中至少99 %的M6C-碳化物在该碳化物最长伸长方向上的碳化物尺寸不大于7 μ m、优选不大于5μηι。
19.一种切削工具，其包括根据权利要求1-18任一项所述的粉末冶金制造的高速钢。
20.根据权利要求19所述的切削工具，其中该切削工具为双金属锯片，或钻头，或铣刀，或锯，或其它切削作业用的整体工具。
【文档编号】B23B51/00GK103556083SQ201310378757
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2006年9月7日 优先权日:2005年9月8日
【发明者】斯蒂芬.森丁 申请人:伊拉斯蒂尔.克罗斯特公司