具有高的耐磨性、硬度、耐腐蚀性以及低导热性的钢及这类钢的应用的制作方法

本发明涉及一种用于要求高耐磨性、高硬度、良好的耐腐蚀性和/或低导热性的应用的钢。
背景技术：
：如果以下给出钢合金的含量说明，只要没有特殊说明，那么这些含量说明分别指重量。具有上述特性的钢特别是适用于制造切割工具、孔板、滤网、用于在塑料加工工业中所需的机械的模具和类似部件。在此，典型的应用领域为用于塑料产品的再生产或循环的机械，这些塑料产品为了将其引回到加工循环中而熔化成熔体。为了由熔体形成颗粒材料，该熔体挤压通过一个孔板，熔体以多个单条的形式从孔板中挤出。这些单线凝固并随后借助适宜的、靠近孔板旋转的切刀切割成单个的颗粒。为了加速凝固过程，塑料熔体通过孔板的挤压以及切割在水下实施。该过程在塑料工业中称为“水下切粒(unterwassergranulieren)”。用于塑料的切割的切刀以及用于成型待由切刀切割的塑料条的孔板由于它们在使用时所处的腐蚀性的环境而必须具有良好的耐腐蚀性并在此经受磨削的磨损。对于“孔板”的应用而言，分别制成孔板的钢的导热性应同时较低，由此不会使与各个孔板接触的塑料熔体失去过多的热量并导致熔体的过快的凝固，过快的凝固会引起板孔的堵塞。这种要求特别是当孔板为具有小于1mm的孔直径的所谓的“微孔板”时而提出。针对该目的而设置的已知的钢以材料标号1.2379(aisi-名称：d2)而已知。其除了铁和不可避免的杂质之外还含有(以重量％的)1.55％的c、12.00％的cr、0.80％的mo以及0.90％的v。另一种同样在塑料循环领域中广泛流行的钢以材料标号1.3343(aisi-名称：m2)而规格化。其除了铁和不可避免的杂质之外还含有(以重量％的)0.85-0.9％的c、0.25％的mn、4.1％的cr、5.0％的mo、1.9％的v以及6.4％的w。以材料标号1.4110(aisi-名称：440a)规格化的马氏体钢应耐受最高的磨损要求，其除了铁和不可避免的杂质之外还含有(以重量％的)0.6-0.75％的c、最大1％的mn、最大1％的si、最大0.04％的p、最大0.03％的s、16-18％的cr、以及最大0.75％的mo。该钢在适当的热处理之后达到最小60hrc的硬度。以商品名“铁-钛nikro128(ferro-titanitnikro128)”已知的钢除了铁和不可避免的杂质之外还含有(以重量％的)13.5％的cr、9％的co、4％的ni以及5％的mo，该钢专门用于制造在磨损的塑料加工中所使用的组件。在这样组成的钢的组织结构中碳化钛的含量为30重量％，这对应于tic的约40体积％体积比重。已知的粉末冶金制造的钢在850℃的真空下经过两到四小时的退火和随后的淬火(其中暴露于具有1-4.5巴的压力的氮气气氛)之后达到约53hrc的退火硬度，该退火硬度可以通过随后的硬化处理(其中钢在480℃下搁置六至八小时)增加至约62hrc的最大硬度。由该钢通常制造孔板、颗粒切刀、注塑喷嘴以及螺杆、环及其它用于加工有磨损作用的塑料的压制工具，以及用于泵、填充头和环刀的部件，这些部件需要用于罐头填充机械(参见“ferro-titanit-dieauskrefeld”手册中包含的“ferro-titanitnikro128”数据表，由deutscheedelstahlwerkegmbh出版)。horsthill在其论文“聚合物加工工业中的为了提高使用时间而需要耐磨损的工具的新型金属基体复合材料(mmc)(neuartigemetallmatrixverbundwerkstoffe(mmc)zurverschleiβbeanspruchterwerkzeugeinderpolymerverarbeitendenindustrie)”(2011年波鸿大学论文，发表于材料技术教研室的自出版刊物中，isbn978-3-943063-08-0)中最终提出了一种钢，其由(以重量％的)13.5％的cr、1.0％的mo、9.0％的ni、5.5％的co、1.0％的cu、2.0％的ti和1.25％的al连同剩余铁和不可避免的杂质组成。该钢的组织结构中的tic含量同样为30重量％。但在该组织结构中额外地存在5重量％的nbc作为硬化相。这样组成的钢在其以实验室标准的制造过程中增加了对于充满期待的潜力的希望。但是其过程可靠的大批量生产被证实仍存在问题。技术实现要素：在该背景下，本发明的目的在于提供一种钢，其可以在应用常规方法的条件下以工业标准生产并且具有在其特性方面优化的特征。同样的还应提出这类钢的实际应用。关于钢方面，该目的通过按照本发明地具有权利要求1中给出的特征的这类钢得以实现。本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出并随后像一般发明构思一样详细地说明。通过本发明提供了一种用于要求高耐磨性、高硬度、良好的耐腐蚀性和/或低导热性的应用的钢。按照本发明的钢在硬化的状态下具有至少56hrc的硬度并且在其组织结构中总共含有至少30重量％的硬化相，该硬化相除了tic颗粒之外还由碳化颗粒、氧化颗粒或者氮化颗粒组成。在此，在按照本发明的钢中，tic颗粒的含量为至少20重量％。-按照本发明，硬化相嵌入到基体中，该基体由(以重量％计的)9.0-15.0％的cr,5.0-9.0％的mo3.0-7.0％的ni,6.0-11.0％的co,0.3-1.5％的cu,0.1-2.0％的ti,0.1-2.0％的al,剩余铁以及不可避免的杂质组成。按照本发明的钢的组分这样调整，以使得其满足于最高的要求，例如对在塑料加工工业领域中所使用的钢而提出的要求。与之相应地，按照本发明的钢特别适用于制造用于塑料产品的再生产和循环的组件。因此按照本发明的钢例如可以制造用于使由磨损的塑料形成的熔体形成颗粒所需的孔板、特别是微孔板，当孔板的孔开口以微米精细程度形成以便产生相应精细的颗粒时，其仍具有理想的使用性能。同样地，能够由按照本发明的钢制造用于切割塑料部件的切刀。这类切刀，如上所述地，同样在由熔化的塑料条带制造颗粒的过程中所需要，例如借助上述类型的孔板沿颗粒化方向而产生颗粒。为了提供为此所需的特性，按照本发明的钢含有至少20重量％的、嵌入基体中的tic，该基体通过析出对钢的可硬化性作出贡献并且同时应这样选择，即，不依赖于各个热处理状态而确保小于35w/mk的较低的导热性。按照本发明的钢的无源电流密度为小于5μa/cm2,在不含氧的0.5摩尔浓度的硫酸中，在20℃下相对于甘汞参比电极以600mv/h的电势变化速度测量。按照本发明的钢因此在较高的硬度和优化的耐磨性的条件下具有耐腐蚀性，该耐腐蚀性类似于常规的奥氏体化的不锈钢的耐腐蚀性。根据本发明的钢的通过超声波测量根据声音传播速度确定的e模量在20℃的温度下大于270gpa、特别是大于300gpa，从而使得根据本发明的钢或由其制成的组件也可靠地满足关于其强度方面的最高要求。通过膨胀计确定的根据本发明的钢的热膨胀系数在20℃至600℃的温度范围中为7×10-6/k至12×10-6/k，该温度范围对于根据本发明的钢的应用富有意义。通过存在足够量的极硬的、热力学稳定的tic颗粒(其在较低的导热性的条件下具有较低的密度)结合按照本发明设置的钢基体在最小化的导热性的同时获得了最大化的耐磨性，其中，该钢基体同样达到较高的硬度。为此，按照本发明的钢以理想的方式包含最少20重量％、对应地约30体积％的tic，或者最少28重量％、特别是最少30重量％的tic。但是，tic含量不应超过45重量％的上限。以这种方式可以确保，更加过程可靠地制造且后续加工该按照本发明的钢。虽然高的硬化相含量导致增加的硬度和耐磨性。但是降低了热膨胀，这显著地使钢基体的复合制造变得困难。另外，更高的硬化相含量意味着材料变得更脆和更易产生裂纹。同时，在过高的硬化相含量的情况下显著削弱了机械的加工可能性。在此，按照本发明的钢的优点在于，其也可以以常规的切削的方式加工。另外，为了优化按照本发明的钢的硬度和耐磨性，起到促进作用的是，按照本发明地在钢基体中除了tic颗粒之外还存在其他的硬化相，从而使钢的组织结构中的硬化相的体积比重总共为至少30重量％。这可以在钢的生产过程中通过另外加入碳化颗粒、氮化颗粒或氧化颗粒而进行。对此替代性或补充性地也可以在按照本发明的规定的范围内这样调整形成析出的元素(ni、al、ti)的重量比，以使得在制造钢而完成的操作步骤的过程中可靠地在基体中形成足够量的可提高硬度的析出。相对于以上已经提及的h.hill的论文中已知的钢，在按照本发明的钢中，mo和co的含量明显增高以及ni和ti的含量明显降低。另外，对于按照本发明的合金的cu、al、tic以及nbc含量的规定相对于已知的钢而变化。通过按照本发明地调整合金含量达到了，以工艺规模生产钢，其具有较高的硬化相比重，该硬化相嵌入在同样高硬度的钢基体中。由已知的钢概念出发，这要求复杂的研究和试验，因为此处谈及种类的钢中的各个元素和相的效果和相互作用是非常复杂的。这样得到的按照本发明的钢以其高耐磨性、高硬度、良好的耐腐蚀性和低导热性具有优化的特性组合。在按照本发明的钢的钢基体中形成的析出是金属间的析出，主要有元素ni、al、ti参与了其产生。这些元素形成了ni3al和ni3ti或者混合形式。这些金属间的相以10nm的数量级中的颗粒大小而存在于组织结构中并且不属于总硬化相含量。相对于例如嵌入按照本发明的钢的基体中的较大的硬化相颗粒，金属间的相由于其较小的尺寸对于摩擦磨损的耐性并没有起到更大的作用。但是，金属间的析出对金属基体的硬度和强度的增加起到作用并因此同样促进了使用性能的改善。铬在按照本发明的钢中以9.0-15.0重量％的含量存在，从而确保了所要求的耐腐蚀性。为此，理想的是，cr含量为12.5-14.5重量％。在按照本发明的钢中含有5.0-9.0重量％的含量的钼，从而一方面确保了特别是对于孔腐蚀的足够的耐腐蚀性而另一方面促进了金属间相的形成，通过该金属间相提高了硬化相所嵌入的钢基体的硬度。理想的是，按照本发明的钢的mo含量为6.5-7.5重量％。在按照本发明的钢中含有6.0-11.0重量％的含量的钴，从而一方面提高了马氏体起始温度而另一方面减小了mo在金属基体中的溶解性。以这种方式可以使按照本发明的钢基体中所含的mo更强地参与金属间相的形成。理想的是，按照本发明的钢的co含量为8.0-10.0重量％。在按照本发明的钢中含有0.3-1.5重量％的含量的铜，从而加速了析出硬化。理想的是，按照本发明的钢的cu含量为0.5-1.0重量％。镍在按照本发明的钢中以3.0-7.0重量％的含量存在。钢基体中需要足够量的镍，从而在通常约850℃下实施的固溶退火的过程中使奥氏体相稳定。这尤其是在按照本发明的材料由固溶退火温度开始淬火时是特别重要的。通过镍的存在，在此使奥氏体稳定至这样的程度，即，在淬火过程中可靠地产生马氏体。如果在按照本发明设置的钢基体中存在过少的镍，那么该效果不能以必要的可靠性达到。如果相反地在钢基体中存在过多的镍，则不会形成马氏体，因为奥氏体相在室温下也是稳定的。在按照本发明的钢中的镍的第二个目的在于，通过形成具有像al和ti的金属间相的析出硬化。因此，在按照本发明的钢的钢基体中，ni、al和ti的含量相互这样协调，从而一方面实现马氏体形成而另一方面实现了析出硬化。理想的方式是，按照本发明的钢的ni含量为4.5-5.5重量％。钛在按照本发明的钢中以0.1-2.0重量％的含量存在，从而如上所述地结合ni实现了析出硬化。理想的是，按照本发明的钢的ti含量为0.8-1.2重量％。铝在按照本发明的钢中也以0.1-2.0重量％的含量存在，从而结合ni对析出硬化起到作用。为此理想的是，按照本发明的钢的al含量为1.0-1.4重量％。按照本发明的钢可以以极度不易变形的方式硬化，因为碳化钛具有较低的热膨胀和不具有转变。通过加入最大4.5重量％的nbc颗粒提高了按照本发明的钢的耐磨性。同时，nbc颗粒具有比tic更低的导热性，这对于按照本发明的钢的使用性能起到有益的作用。除此之外，tic和nbc是同构碳化物并因此能够相互混合。这在扩散反应过程中导致混合碳化物的形成。相对于仅仅使用tic，因此产生了价电子浓度的变化并由此在碳的间隙晶格中形成空位。也以这种方式削弱了按照本发明的钢的导热性并改善了使用性能。这种作用特别是当按照本发明的钢中存在至少2.0重量％的nbc时而实现。在此，当nbc含量为2.0-3.0重量％时产生了理想的作用。通过以常规的方式以粉末冶金来制造按照本发明的钢，可以确保其组织结构没有偏析和纤维分布。按照本发明用作硬化相的碳化物颗粒、氮化物颗粒和氧化物颗粒在粉末冶金制造过程中已经作为“制成的”颗粒而引入。对于粉末冶金制造而言，既可以使用烧结也可以使用hip(热等静压)路径。例如，基于气体雾化的钢粉的超固相液相烧结也适用于生产根据本发明的钢。在foller,m.；meyer,h.；lammer,a.的wearandcorrosionofferro-titanitandcompetingmaterials.in：toolsteelsinthenextcentury:proceedingsofthe5thinternationalconferenceontooling,9月29日-10月1日，奥地利莱奥本大学，1999年，奥地利，第1-12页，以及在h.hill,s.weber,w.theisen,a.vanbenneko的具有高耐磨性的耐腐蚀mmc的优化(optimierungmmcmithohemverschleiβwiderstand)，30.hagenersymposium,24.-25.11.2011中或在上述horsthill的论文中可以找到通常在此处谈及类型的钢的粉末冶金制造的过程中所使用的操作步骤的描述。按照本发明的钢为了调整其机械性能可以进行常规的热处理，其中，将其加热2-4小时，随后在以1-4.5巴的压力加载的氮气气氛下淬火并随后在480℃下搁置6-8小时。按照本发明的钢在这样的热处理之后通常具有大于62hrc的硬度。通过真空下的加热和在惰性气体氛围中的淬火，避免了分别由钢成型的半成品的热处理的边缘区域中的负面影响区域。如果将热处理限定为在850℃下经过2-4小时的软化退火，那么按照本发明的钢具有大于50hrc的硬度。附图说明随后借助实施例进一步说明本发明。附图示出了：图1为根据本发明的样品的截面的扫描电子显微照片的一部分；图2为一个图表，其中示出了按照本发明生产的钢样品和为了对比而生产的钢样品的导热性的测量结果；图3为一个图表，其包括在按照本发明生产的钢样品和为了对比而生产的钢样品上实施的电流密度-电位测量的结果；图4为一个图表，其再现了在由按照本发明的钢制成的样品上的膨胀计测量的结果。具体实施方式为了比较按照本发明的、用于制造水下切粒的孔板或切刀而设定的钢的特性与已知的、用于相同的使用目的而设的钢的特性，制造按照本发明的钢e和已知的钢v。两种钢e和v的组成成分在表1中给出。钢v的组成成分在此对应于以“铁-钛nikro128”名称已知的、例如在上述公开物中记载的钢的组成成分。两种钢e、v的粉末冶金制造过程中完成的操作步骤对应于通常在“铁-钛nikro128”钢的冶金制造中实施的操作步骤。这些操作步骤已在以上提及的专业文献中说明。在粉末冶金制造之后，钢e和v的样品pe1、pv1进行热处理，该热处理同样对应于在铁-钛nikro128中标准化实施的热处理。为此，样品pe1和pv1首先在真空中在850℃的温度下保持经过二至四小时的持续时间并随后在以1-4.5巴的压力加载的氮气气氛下淬火。随后进行时效固化处理，其中，将样品pe1、pv1分别在480℃的温度下搁置六到八个小时。图1示出了如此标准热处理的按照本发明的钢e的样品pe1的截面的扫描电子显微照片的一部分。通过明亮的区域可以看出金属基体，而以暗色示出了环绕基体的tic夹杂物。其他由钢e和v组成的样品pe2、pv2在850℃下进行持续同样2-4小时的软化退火。在样品pel、pvl、pe2、pv2上确定硬化相含量。在由按照本发明的钢制成的样品pe1,pe2中，硬化相含量平均在大于30重量％，相反地，由对比钢v制成的样品pv1,pv2平均具有仅30重量％的硬化相。为了确定不同样品pel、pe2、pvl、pv2的硬度而根据dineniso6508-1实施五个硬度测量。这样针对样品pel、pe2、pvl、pv2测定的测量值的平均值在表2中给出。已示出，按照本发明的样品pel、pe2的硬度分别高于对比样品的硬度。另外，与温度有关的导热性λ(t)借助间接的方法在室温下、100℃、200℃、300℃下确定：λ(t)＝a(t)×ρ(t)×cρ(t)其中a(t)：借助激光闪光(laserflash)测量的导热率，如在linseisgmbh：说明书lfa1250/1600-激光闪光：热恒定分析仪，2010或astminternationale1461-01：通过闪光法的热扩散率的标准测试方法，2001中解释的；ρ(t):各个样品的密度，通过膨胀计测定；cρ(t):样品的特定等压热容量，通过动态差示扫描量热法(dynamischedifferenzkalorimetrie，“dsc”)测定。在图2中示出了针对样品pe1和pv1的这些测试的结果。已显示，由按照本发明的钢e制成的样品pe1中的导热性分别低于由对比钢v制成的样品pv1。按照本发明的样品pe1的更小的导热性在此处预设的钢e和v的应用目的方面是有利的。如表1中给出的，按照本发明的样品pe1,pe2的tic含量分别为大于30重量％。由按照本发明的钢e制成的样品pe1,pe2的密度为6.55g/cm3，由此达到了理论密度。如图1中可以看出，该组织结构不具有残余孔隙率。由按照本发明的钢e制成的样品pe1和由对比钢v制成的样品pv1上实施的电流密度-电位测量的结果在图3中示出。其中，针对样品pe1确定的电流密度-电位曲线作为实线示出而针对样品pv1确定的电流密度-电位曲线作为虚线示出。电流密度-电位曲线在无氧的0.5摩尔浓度硫酸中测量，在20℃下相对于甘汞参比电极具有600mv/h的电势变化速度。此外，针对根据本发明的样品pe1确定的无源电流密度在每种情况下低于5μa/cm2。对于由按照本发明的钢e制成的样品pe1，通过与声波传播速度有关的超声装置测定弹性模量为318gpa。相对地，常规样品pv1的弹性模量为294gpa。表3给出了钢e的热膨胀的概况。热膨胀通过膨胀计在100℃直至600℃的最高温度的温度跨度中测量。可以看出，热膨胀系数αth处于7和12×10-6/k之间的温度范围内。除此之外，图4示例性地示出了在由根据本发明的钢制成的样品pe1上膨胀计测量的结果，其证实了该结果。钢crmonicocutialticnbce13.57.05.09.00.81.01.2332.5v13.55.04.09.00.81.01.030-以重量％计，剩余铁和不可避免的杂质表1样品平均硬度hrcpe165pv162pe254pv253表2温度[℃]αth1008.42008.73009.04009.25009.46009.7表3。当前第1页12