[發明專利]具有出色的韌性和熱導率的熱加工工具鋼

無效

• 申請號: 201080014370.0
• 申請日: 2010-03-12
• 公開（公告）號: CN102369304A
• 公開（公告）日: 2012-03-07
• 發明（設計）人: 艾薩克·巴爾斯盎格魯斯
• 申請（專利權）人: 羅瓦瑪股份公司;艾薩克·巴爾斯盎格魯斯
• 主分類號: C22C38/44
• 分類號: C22C38/44
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 陳平

發明領域

本發明涉及熱加工工具鋼，其具有非常高的熱導率和低缺口敏感性，提供出色的對熱疲勞和熱沖擊的耐受性。該鋼還表現出非常高的淬透性。概述

很多生產過程所使用的熱加工工具鋼經常經受高熱-機械負荷。這些負荷經常導致熱沖擊或熱疲勞。對于這些工具的大部分，主要的損傷機制包括熱疲勞和/或熱沖擊，通常與一些其它的退化機制相結合，最相關的有，如機械疲勞、磨損(磨料、粘結劑、腐蝕或者甚至空化)、斷裂、凹陷或其它方式的塑性變形。在除上面提到的工具之外的很多其它應用中，所使用的材料也需要高耐熱疲勞性，通常還結合有對于其它損傷機制的耐受性。

熱沖擊和熱疲勞在很多沒有實現穩定傳導狀態的應用中由于暴露時間短或有限能量來源量導致溫度衰減而產生的熱梯度而引起，工具材料中熱梯度的大小也是其熱導率的函數(反比例關系適用于畢奧數足夠小的所有情況)。

在這種情況下，對于帶有給定熱通量密度的給定應用，帶有更高熱導率的材料經受更低的表面負荷，因為所產生的熱梯度更低。

傳統上對于熱疲勞是主要損傷機制的很多應用，如在高壓模鑄的很多情況下，為了評價不同的工具材料最廣泛使用的韌性測試是V形缺口樣品彈性試驗(CVN-卻貝V形缺口)。也可以使用其它測量方法，并且其對于一些應用甚至是更具代表性的，如斷裂韌性或屈服變形，斷裂變形等。可以將該測量與相關于機械耐受性的測量(如屈服應力、機械耐受性或疲勞極限)、相關于磨損的測量(通常為在一些摩擦測試中的K重量損失)一起用作材料性能的指標，以用于在不同工具候選材料之間比較的目的。

因此對于給定的應用比較不同材料的理論耐受性的鋼材優質值可以是：

Me.Nr＝CVN·k/(E·α)

其中：

CVN-卻貝V形缺口

k-熱導率

E-彈性模量

α-熱膨脹系數

在大部分科技文獻中用加工溫度下的K_IC、耐機械疲勞性或者屈服強度代替CVN術語。但是上面給出的鋼材優質值的實例，被業界專家認為是其中最直觀的之一。

那么顯然為了提高耐熱疲勞性，應該努力同時提高熱導率、韌性并降低彈性模量和熱膨脹系數。

對于很多應用，會使用較厚的工具，并且如果為了承受熱處理而需要足夠的機械耐受性，那么還需要好的淬透性。因為相比帶有回火貝氏體微組織，帶有回火馬氏體微組織更容易獲得更高的韌性，因此淬透性對于熱加工工具鋼也是非常有意義的。因此帶有更高的淬透性所需要的淬硬冷卻的劇烈程度就越低。劇烈的冷卻是更困難的，并且因此實現劇烈冷卻是昂貴的，并且因為所構造的工具和部件的形狀通常是復雜的，劇烈冷卻會導致熱處理部件的開裂。

耐磨性和機械耐受性通常與韌性成反比。所以在耐磨性和耐熱疲勞性上同時實現提高并不簡單。熱導率通過使得能夠大幅增加耐熱疲勞性從而對這方面有所幫助，即使會稍微降低CVN以增加耐磨性或機械耐受性。

對于熱加工工具鋼，存在很多其它性質(它們如果不是必須的也是所希望的)，這些性質不一定對于工具或部件壽命具有影響，而是會對其制造成本有影響，如：一般的易于機械加工、可焊接性或可修補性、對于涂層所提供的支撐、成本等。

在本發明中，開發了一系列帶有提高的耐熱疲勞和熱沖擊性的工具材料，所述工具材料還可以結合有更好的機械破裂或磨損耐受性。那些鋼相對于其它現有帶有高熱導率的高機械特性工具鋼(WO/2008/017341)還表現出提高了的淬透性和CVN。

本發明人發現，通過應用特定組成規則以及在以下組成范圍內的熱-機械處理，可以解決同時獲得高熱導率、淬透性、韌性和機械特性的難題：

％Ceq＝0.20-1.2??％C＝0.20-1.2??％N＝0-1?????％B＝0-1

％Cr＜1,5????????％Ni＝1,0-9????％Si＜0,4????％Mn＝0-3

％Al＝0-2.5??????％Mo＝0-10?????％W＝0-15????％Ti＝0-3

％Ta＝0-3????????％Zr＝0-3??????％Hf＝0-3，??％V＝0-4

％Nb＝0-3????????％Cu＝0-4??????％Co＝0-6，??％S＝0-1

％Se＝0-1????????％Te＝0-1??????％Bi＝0-1????％As＝0-1

％Sb＝0-1????????％Ca＝0-1，

余量由鐵和不可避免的雜質構成，其中

％Ceq＝％C+0.86*％N+1.2*％B，