[发明专利]具有高的耐回火性的钢

说明书

本发明涉及被设计为用于热金属成形工具的钢，典型是在其中待成形金属耐受600℃以上温度的情况下，甚至能够使用所述钢的较低温度或者甚至室温下的工艺。所讨论中的钢具有允许将其归类为热加工工具钢的组成，其主要特性是增加的对高温下的硬度损失的抵抗性（称为耐回火性），同时保持高韧性及适当的导热性和淬硬性。通过仔细设计合金并设置元素P、Si、Mo和Cr的最佳范围，可实现此类效果。

术语热加工工具被应用于许多热成形操作，其用于工业中并且关注于生产机械应用的零件，尤其是汽车零件。最普遍的热成形工艺是非铁合金的锻造、挤压或铸造。在典型高于500/600℃的高温下执行的其它应用也可以被分类为热加工。在这些应用中，以通用术语热加工工具来对模具、压模、冲头、嵌体及其它成形装置进行分类。这些工具通常由钢制成，所述钢要求特殊性质以耐受其中采用该工具的工艺的高温和机械特性。

在热加工钢的其关键性质之中，以下是引人关注的：耐热性，更具体为耐回火性，韧性，淬硬性和诸如导热性、比热（这两者都与热扩散率相关）以及热膨胀系数的物理性质。

对于锻造应用而言，钢的热锻造是引人关注的，尤其是用于汽车零件的机械构造的钢。在此类操作中，锻造的坯料耐受1100℃以上的温度。在成形过程期间，其加热工具的表面，如果接触时段越长，则温度越高。因此，所产生的热量要求来自所使用的钢的高耐热性。用于热压模成形的钢硬化机制主要是由细碳化物的析出引发的。值得注意的是Mo或W的碳化物，M₂C型，或者V碳化物，MC型。对于高Cr钢而言，富Cr的M₇C₃碳化物也是引人关注的，而且还具有处于固溶体中的Mo和V。尽管这些碳化物具有高稳定性，但是它们趋于在高温下的长时间段之后聚结，所述高温典型高于550℃—在工具操作范围内容易达到的条件。结果，该区域的硬度下降，引起磨损和热塑性变形，导致工具失效。

因此，改善材料对耐回火性和硬度损失的抵抗性对于改善在高温条件下操作的工具性能是关键的。此类应用的实例是在用于如下的工具：钢零件或其它金属合金的热锻、非铁合金的挤压和用于铸造非铁合金的压模（后两种应用对于Al合金而言更加重要）。对于其它应用而言也是如此，诸如非铁合金的挤压或铸造。例如，在锻钢应用中，要锻造的预成型件的温度为约1200℃。即使考虑与工具的短接触时间（秒），它们的表面也显著地加热，造成因这些表面的回火而致的硬度损失。考虑铝合金或其它非铁合金的挤压，坯料温度较低，在400至600℃范围内。然而，在这些应用中，接触时间显著更长（几十分钟至几小时的操作）。此外，由工具/铝接触产生的局部摩擦增强了加热，增加了工具钢的硬度损失并因此导致钢磨损。在压力铸造压模中，在高压力和温度（约700℃）下注入熔融金属，并且还加热压模的表面。在这种情况下，失效主要是由于因压模的工作表面的相继加热和冷却而引起的热疲劳开裂。但是，熔融铝与压模表面之间的高热量交换有利于表面区域的加热，如在其它应用中那样产生硬度损失并因此引发疲劳开裂过程。

加热后硬度损失的这种机制因此对于热加工工具钢而言至关重要；因此，非常希望增加材料强度以抵抗这种现象。关于所采用的钢，通常通过使用形成二次碳化物的较高水平的那些元素（诸如Mo、W和V）或通过固溶体硬化来获得改善的耐热性。虽然在增加耐热性方面是有效的，但这些元素水平的过度增加意味着降低的韧性、不良的热扩散率和传导率或显著的制造成本增加。这后一项经济因素在当今实际上是重要的，因为用作合金元素Mo、W和V的来源的原材料具有高成本。

为了提供本发明的更好理解，我们下面描述当前使用的某些现有技术钢（在表1中概括了化学组成）。H11和H13钢是引人关注的，因为它们是主要用于热加工的工具钢。这些材料含有5%的Cr，提供适当的淬硬性，并且为了辅助耐热性，含有0.9%的V和1.2%的Mo以改善耐热性，并且通常含有低水平的P和S以促进适当的韧性。然而，为了改善耐回火性，将需要较高的Mo水平。DIN 1.2365和DIN 1.2367是用于此类目的的钢。它们具有高Mo水平以改善耐热性。然而，如果在DIN 1.2367钢的结构内增加该元素的含量，则韧性及热传导率和扩散率趋向于下降。在1.2365钢中，通过增加Mo含量并减少Cr含量来抵销这种热传导率降低。然而，Cr含量越低，淬硬性越低，从而限制在大型工具中的应用。