专利名称：耐热工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种耐热工具，特别是用于切削加工奥氏体钢、镍基合金和钛材的工具。
此外本发明还涉及用于制备具有高热硬度的物件的方法。
用于断续加工或无间断连续加工工件的工具都应具有高硬度以及高磨损阻力。
很久以来就已知，含碳的铁基合金应用作为工具材料，其硬度经淬化硬化通过在组织结构中形成马氏体根据需要而提高。在这种硬化法中，基本上是在提高了的温度下对具有面心立方晶格结构的材料快速冷却而进行微观结构的无扩散的转变。形成马氏体的原子从奥氏体晶格位置转移到新的组织结构，专业人员也称之为在淬火过程中的翻转-转变。
将其他的合金元素添加入含碳的铁基材料中并应用特别制定的热处理方法允许由此制备物件或工具，其在结构的淬火转变或热翻变转变后，视情况也还在随即的退火后具有高的所期望的机械性能和类似的使用性能值。
在冷却奥氏体的固溶体区域时通过转变得到的结构不表现热力学稳定的平衡状态。在加热到生成温度以上的温度，或在此温度下长时间处理，结构发生变化以致材料的性能发生变化。
换句话说当在工具的实际使用中工作区域内出现高温时，这个区域内材料硬度会下降，并因此出现其使用性能的降低。
为了提高工件加工的经济性，现在的目的是制备具有经提高了热硬度的材料的工具。假如工具材料在结构中具有碳化物或其它硬质物质，那么热硬度这个概念就涉及到基体部分。
已知，与以马氏体形成为特征的淬火硬化相反，沉淀硬化是不经此实现的。对于沉淀硬化的先决条件是在基体金属中的合金添加物随着温度下降的溶解度。
在沉淀硬化中，固溶处理的合金化材料随即进行更强烈的冷却。在较高的温度下的固溶处理中，将在材料中的一种合金添加物或一个相完全地或部分地被加入到溶体中，并淬火至室温成为过饱和溶体。在随即加热到固溶处理温度以下的温度时，合金添加物或相的与温度相应的过饱和部份沉淀出来，这使材料性能产生改变。这样可制备具有永磁性或具有高硬度的合金。
所以本发明现在的任务是，制备一种耐热工具，它的材料或材料的基体部分具有在高温下比高速钢的硬度更大的硬度，在此通过硬化而不出现工具的变形现象。此外，在工具的工作区域即使在长时间的热作用下也能保持材料的硬度，并因此还允许在没有、或较少冷却工具的情况下并以较高的间断速率切削。本发明的最终任务是提供用于无间断加工奥氏体合金的切削材料，例如耐锈的Cr-Ni-钢、镍基合金和钛材的切削材料，这种切削材料使得在高工具寿命下具有高的表面加工质量的、经济的加工成为可能。
这任务通过一种耐热工具而解决，由含有铁-钴-钨和钼的高速切削合金构成，以重量％计钴(Co) 15.0-30.0钨(W) 4.0-30.0钼(Mo) 6.0-22.0条件是，钨的含量加上2倍钼的含量为18.0-49.0(W+2Mo＝18.0至49.0)碳(C) 0.005-0.19氮(N) 0.01-0.1
铝(Al) 上限为0.85硅(Si) 上限为0.85条件是，铝的含量加上硅的含量最高为0.95(Al+Si) ≤0.95镍(Ni) ＜0.4锰(Mn) ＜0.4铬(Cr) ＜1.3铁和由炼制条件决定作为余量的杂质，作为工具材料，其以粉末冶金的方式通过用氮气将合金雾化成粉末，随即用热等静压法(HIPen)将粉末压成预制材料，并视情况通过预制材料的热变形和/或冷变形而制备，这样成型以后的工具通过固溶处理并随即冷却至室温并随后沉淀处理而硬化，并且具有大于65HRC的硬度。
由本发明达到的优点特别在于，在长时间内有效温度直至650℃下，工具达到的硬度值与已知的高效高速钢相比要高得多。遵循根据本发明的合金技术的和制备技术特征在此是重要的。
Fe-Co-W/Mo-合金在一定的浓度范围内，在加热下从体心立方(γ)转变为面心立方(α)-原子结构，其中转变温度的高低取决于合金当前的组成。在此分别与温度相关的形成沉淀的元素的溶解度在合金的α-区域微小，相反其在γ-区域有提高。
在具有低碳含量的合金中，钨和钼引起沉淀硬化，并且从过饱和溶体几乎全部的进入金属间相中。这些元素实际上同样地影响转变温度和类金属的颗粒对凝聚的稳定性，进而影响材料的硬度和耐热性。随着这些元素的总含量提高到49重量％，二次硬度和耐热性增加。对于更高的含量由于类金属的增长而不再改善这些性能，与此相反，对于低于18.0重量％的元素(W+Mo)浓度时，测出的强度和材料韧度大幅下降。
合金元素钴对材料性能产生复杂的影响。一部分钴通过形成类金属(Fe，Co)7(W，Mo)6而参与沉淀硬化，这样就降低了它的在α-相中的浓度。另一部分钴保证了合金的重结晶。对于钴含量低于19.0重量％时，一部分组织结构即使在高的加热下也保持在α-相中，材料由于W和Mo稳定铁素体的作用而变得不期望的粗颗粒的。对于钴含量高于25重量％时，类金属的量增加，致使材料的机械性能在不能进一步的提高硬度和耐热性的情形下而降低。
当钼的份额对比钨成分在4.0-30.0重量％的范围时显著地提高了Fe-Co-W/Mo-合金的强度，并且对其α-γ-转变温度几乎没有影响。在钨比钼为0.7-1.6的比例范围内得到硬度、强度和耐热性的最佳组合，在此，钼在合金中的最低含量应为7.0重量％。直至18.0重量％的钼优越地使类金属的沉淀细腻和均质。
碳虽然对合金的转变温度没有影响，但是在高于0.16重量％的浓度时形成(M6C)类的碳化物，其在没有进一步合金技术措施下，减小工具的硬度、耐热性和切削性能。碳含量低于0.008重量％时要延缓沉淀的形成，所以如所发现的，在视情况的基体构成的合金中的含碳量应为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，并且促进组织结构的细度和均质性。
钒、铌、钽、钛和锆单个元素或这些元素的组合是技术上用来形成优越的精细颗粒和键合特别在远没有溶解的碳化物和氮化物中的碳和氮。另外通过0.14-0.9的浓度范围的这些元素可改善晶粒边界的状态，这可提高材料的韧度。
铝和硅虽然提高了合金的α-γ-转变温度并改善了材料的性能，但是也稳定了铁素体，所以优选铝的含量不应超过0.85重量％，硅的含量不应超过0.85重量％，且它们的总含量不应超过0.95重量％。
当镍和锰的含量大于0.4重量％和铬的含量大于1.3重量％时，虽然改善了材料的机械性能，但是也减小了工具的耐热性。
本身已知的粉末冶金制备预制材料也是有发明性的。已经显示，通过用氮气对合金气体喷气，随即将粉末热等静压压制，压制品的性能是容易调节的，并且合金元素分布的高度均质性及在预制材料中无偏析性是可实现的。此外还发现，PM-技术对沉淀动力学和沉淀的形态学起有利的和精炼的作用，对此还没有已知的科学解释。
根据本发明，通过直至约650℃的沉淀退火，不造成工具变形或形变就可将硬度提高到大于65HRC的硬度值，这就使得工具不需要或只需要较少的精加工。
本发明的优越的组成形式在权利要求2中标明。
特别对于在材料的良好韧度值下的高硬度，下述的情况是有利的，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的结构。
为了达到耐热工具的进一步附加提高的耐磨性，一个根据本发明的实施形式拟定，在具有上述特征的基体中，在材料中以直至28体积％的量，以精细分布的形式均质地设置硬化相。
本发明包含在内的所要求的任务，在一个用来制备具有高的热硬度的物件的方法中解决，即在这个方法中，制备具有下列以重量％计的组成成分的熔融金属钴(Co) 15.0-30.0钨(W) 4.0-30.0钼(Mo) 6.0-22.0条件是，钨的含量加上2倍钼的含量为18.0-49.0(W+2Mo＝18.0-49.0)碳(C)0.005-0.19氮(N)0.01-0.1 铝(Al) 上限为0.85硅(Si) 上限为0.85条件是，铝的含量加上硅的含量最高为0.95
(Al+Si) ≤0.95镍(Ni) ＜0.4锰(Mn) ＜0.4铬(Cr) ＜1.3制成铁和由炼制条件决定作为余量的杂质，经氮气将熔融金属雾化成金属粉末，之后，这种合金粉末用热等静压法压制成预制材料，这种预制材料在1200-950℃下视情况进行热变形，结果进一步加工成物件基体，最终成型以后，在高于1200-1300℃的温度下进行固溶处理，随即进行淬火和在500-650℃下沉淀硬化退火，这样物件的硬度达到高于65HRC的硬度值。
根据本发明的方法所得到的优点特别在于，制备考虑到进一步加工和在高温下的机械性能具有最佳组成成分的熔融金属。这样，应用氮气作为喷气介质根据粉末-金属-技术制备的预制材料可获得对于材料高均质性的最好结果，在至少950℃的温度下可改善材料的热塑性，然而从1000℃至1200℃和更高的温度下也支持热塑性。在物件的最后成型后，可在高于1200-1300℃的温度下进行固溶处理，随即以有利的方式在没有形状变形下在室温下进行强制冷却，还在500-670℃下，优选为直至650℃而不引起部件变形的情况下进行沉淀硬化至材料硬度高于65HRC。因为根据本发明，元素Ni和Mn在材料中有上限浓度，并且促进淬透性的元素Cr被调节到最大含量，所以可实现高的α-γ-转变温度和由此高的材料硬度和在金属材料的无间断加工时工具的最高寿命。与具有直至1.7重量％的C和高份额的减少磨损的碳化物，特别是单碳化物的最高合金高速钢相比，根据本发明的工具，更确切地说旋转工具在加工具，有高耐腐蚀性的高合金奥氏体油田部件(lfeldkomponenten)时提供提高了89个系数的无间断性能，这也高于硬质合金工具的性能。
通过权利要求6标明的特征而实现在达到高机械性能值下确定度的保证和沉淀硬化的最高温度稳定性的频率。
在根据本发明的方法的进一步的构成中，下述情况是优越的，即当熔融金属与附加选择出来了的组成成分制成合金，这些组成成分为直至1重量％的碳和直至0.2重量％的氮和形成单碳化物-和氮化物的元素钒、铌、钽、钛和锆，它们单个的、或组合的总含量直至2.45重量％，在此，单质碳和氮元素的含量与其形成单碳化物-或-氮化物的元素的比例分别为0.4-0.46，和通过金属间相的沉淀而硬化的物件，例如(Fe，Co)7(W，Mo)6和通过精细分散的碳化物和/或氮化物或特殊氮化物的一个这样的沉淀的重叠覆盖而进行硬化。这种双-或二相硬化有这种优点，即由类金属高温稳定的硬化通过一种类似于碳化物沉淀硬化的耐热工具钢的二次硬化而重叠覆盖，这样所形成的物件的机械高温性能进一步提高。
这也是可能的，即进一步提高经沉淀硬化的材料的高耐磨性，如果用于热等静压压制的经氮气雾化的金属粉末在容器中压制之前加入总量直至28体积％的一种或多种粉末粒度直至5μm的硬质材料粉末，并且在容器中均质分布。这样所达到的优点主要在于，硬质材料粉末是外源性的，对于基体组成成分的最佳化没有影响。
如
图1所示，根据在650℃下与时间相关的软化试验，根据本发明的试样与这些根据现有技术的高速钢试样进行对比。
在表1中给出了试样材料各自的化学成分。表2给出了所测试的试样的热处理参数和硬度值。
在图1中根据本发明的用于工具的材料表现出更优越的热硬度。在此显示出了在650℃下试样的表面硬度(根据在试验温度下反弹-测试方法测出，根据DIN 51303-1975或JIS 7731-1976计算)与时间的关系走向。特别是在650℃下在大于10分钟的时间后对于根据本发明的材料测得明显小得多的硬度下降。
表1测试材料的化学成分
表2测试材料的热处理
权利要求
1.一种耐热工具，特别是用于无间断地加工奥氏体钢、镍基合金和由钛构成的材料的工具，其由含有下列以重量％计的成分的Fe-Co-W/Mo-高速切削合金构成钴(Co) 15.0-30.0钨(W) 4.0-30.0钼(Mo) 6.0-22.0条件是，钨的含量加上2倍钼的含量为18.0-49.0(W+2Mo＝18.0至49.0)碳(C) 0.005-0.19氮(N0.01-0.1 铝(Al) 上限为0.85硅(Si) 上限为0.85条件是，铝的含量加上硅的含量最高为0.95(Al+Si) ≤0.95镍(Ni)＜0.4锰(Mn)＜0.4铬(Cr)＜1.3铁和由炼制条件决定作为余量的杂质，作为工具材料，其以粉末冶金的方式通过用氮气将合金雾化成粉末，随即用热等静压法(HIPen)将粉末压成预制材料，并视情况通过预制材料的热变形和/或冷变形而制备，这样成型以后的工具通过固溶处理并随即冷却至室温并随后沉淀处理而硬化，并且具有大于65HRC的硬度。
2.根据权利要求1的耐热工具，其高速切削合金的一种或多种元素或元素组限定在以重量％计的下列的浓度范围内，Co 19.0-25.0，优选为20.0-23.0W 10.0-25.0Mo 0.7-18.0， 优选为8.0-14.0 0.7-1.6， 优选为0.85-1.48W+2Mo 22.0-34.0，优选为24.0-28.0C 0.008-0.16， 优选为0.01-0.14N 0.02-0.08，优选为0.025-0.068V、Nb、Ti、Zr、Ta(单个元素或这些元素的组合)0.14-0.8， 优选为0.15-0.5Al 上限为0.7，优选的上限为0.5Si 0.12-0.6， 优选为0.15-0.5Al+Si 0.12-0.8， 优选为0.15-0.6Ni ＜0.3，优选为＜0.2Mn ＜0.3，优选为＜0.2Cr ＜1.2，优选为＜0.9
3.根据权利要求1或2的耐热工具，其在工具材料中所形成的沉淀具有平均粒度为1-5μm，优选为2-3.6μm，具有基本上是(Fe，Co)7(W，Mo)6的结构.
4.具有根据权利要求1-3的基体的耐热工具，其含有总量至28体积％的，优选为在20体积％以下的，特别优选为5-15体积％之间的在其中均质分布的硬质相。
5.一种用来制备具有高热硬度的物件的方法，特别是具有对奥氏体的铁-和镍-基、以及钛材料高的无间断性能的耐热工具的制备方法，在该方法中，制备具有下列以重量％计的组成成分的熔融金属钴(Co) 15.0-30.0钨(W) 4.0-30.0钼(Mo) 6.0-22.0条件是，钨的含量加上2倍钼的含量为18.0-49.0(W+2Mo＝18.0至49.0)碳(C)0.005-0.19氮(N)0.01-0.1 铝(Al) 上限为0.85硅(Si) 上限为0.85条件是，铝的含量加上硅的含量最高为0.95(Al+Si)≤0.95镍(Ni) ＜0.4锰(Mn) ＜0.4铬(Cr) ＜1.3制成铁和由炼制条件决定作为余量的杂质，通过用氮气对熔融金属喷气成金属粉末，之后，将合金粉末热等静压法压制成预制材料并在1200-950℃下进行可能的热变形，随即将其进一步加工成物件基体，这种物件基体在最终成型后，在高于1200-1300℃的温度范围内进行固溶处理，随即进行淬火并在500-650℃下沉淀硬化退火，这样物件的硬度达到高于65HRC的硬度值。
6.根据权利要求5的方法，将熔融金属对于一种或多种元素和/或元素组限制在下列以重量％计的浓度范围内Co 19.0-25.0， 优选为20.0-23.0W 10.0-25.0Mo 7.0-18.0，优选为8.0-14.0 0.7-1.6，优选为0.85-1.48W+2Mo22.0-34.0， 优选为24.0-28.0C 0.008-0.16， 优选为0.01-0.14N 0.02-0.08， 优选为0.025-0.068V、Nb、Ti、Zr、Ta(单个元素或这些元素的组合)0.14-0.8， 优选为0.15-0.5Al上限为0.7， 优选的上限为0.5Si0.12-0.6， 优选为0.15-0.5Al+Si 0.12-0.8， 优选为0.15-0.6Ni＜0.3， 优选为＜0.2Mu＜0.3， 优选为＜0.2Cr＜1.2， 优选为＜0.9
7.据权利要求4或5的方法，在该方法中，熔融金属附加地与直至1.0重量％的碳和直至0.2重量％的氮，并与形成单碳化物和氮化物的元素钒、铌、钽单个的、或组合的直至2.45重量％的总含量的组分制成合金，在此，元素碳和氮的含量与形成单碳化物或氮化物的元素的比例分别为0.4-0.46，并且物件通过金属间相，例如(Fe，Co)7(W，Mo)6的沉淀和通过精细分散的碳化物和/或氮化物或特殊氮化物的一个这样的沉淀的重叠覆盖而进行硬化。
8.据权利要求4-6的方法，在该方法中，在用热等静压法压制通过氮气喷气的金属粉末之前，在粉末中加入一种或多种具有直至5μm的粉末颗粒大小、总量直至28体积％的硬质材料粉末，并且在金属粉末中均质分布。
全文摘要
本发明涉及到一种耐热工具，以及一种用来制备具有高热硬度的物件的方法。根据本发明，工具或物件由含有下列以重量％计的组成成分的Fe－Co－W/Mo－高速切削合金构成作为工具材料；钴(Co) 15.0－30.0；钨(W) 4.0－30.0；钼(Mo) 6.0－22.0；条件是，(W+2Mo)＝18.0至49.0；碳(C) 0.005－0.19；氮(N) 0.01－0.1；钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)、锆(Zr)、钽(Ta)单个元素或这些元素的组合0.12－0.9。铁和由炼制条件决定作为余量的杂质，作为工具材料，其以粉末冶金的方法制备，并在工具成型后经固溶处理并随即的至室温的冷却和之后的沉淀处理而硬化，其具有大于65HRC的硬度。
文档编号C22C38/12GK1455014SQ0310826
公开日2003年11月12日 申请日期2003年3月27日 优先权日2002年4月30日
发明者I·麦里, R·拉比什, W·利伯法特 申请人:博哈里尔特种钢两合公司