[发明专利]马氏体时效钢制品及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用粉末冶金加工法制造具有特定组成的马氏体时效钢制品。通过在直接热等静压(AS-HIP(as hot isostatically pressed))条件或热等静压(HIP)和热作条件下实践本发明制得的钢适于涉及高温或循环加热冷却的用途。本发明的钢制品在制造后和溶液热处理后的硬度小于40HRC，这使所述制品能够进行机器加工。而在制品的制造和随后的马氏体时效处理后，其硬度大于45HRC。

本发明的钢制品的应用包括塑料加工、或液体金属或热固体金属的加工，其包括但不局限于液体金属浇铸用模具、塑料用模具、锻造其他金属用模具和挤压用模具。用于这些用途的工具的循环加热冷却体现了这些用途的特征。该循环加热冷却在工具中产生了充足的应力从而导致热疲劳裂纹，也称为热裂纹(heat checking)。不同的应用可耐受不同量的热裂纹。对一些需要高品质装饰性外观的产品而言，在模具出现了非常有限的热裂纹后就必须更换。对其他不需要高品质装饰性外观的产品而言，即使该模具出现了严重的热裂纹，也可以继续使用。在所有的情况下，大多数模具最终都会因热疲劳裂纹而失效并被更换。

背景技术

现有的热作模具钢(hot work tool steel)足够用于对严格的装饰性要求较低或使用期限周期较短的产品。然而，对有较高的装饰性要求的产品而言，需要具有更长的有效使用寿命的工具以满足生产实践的需要。

工具被用在包括热金属加工在内的数种应用中。所述金属可以是液体形式(例如在压铸中)或者固体形式(例如在热挤压和热锻中)。所有这些工具材料的使用寿命通常都取决于热疲劳裂纹。也就是说，随着加工的进行，在工具的表面有更多的热疲劳裂纹产生，存在的热疲劳裂纹也不断扩展。当热疲劳裂纹的程度使所制得的部件的质量不能被接受时就要更换模具。对用于高温用途的钢的要求包括：

材料必须具有被热处理至大于45HRC的能力，45HRC是现有技术中大多数工具维持形状的通常最小的加工硬度。

材料还必须具有良好的高温强度。疲劳裂纹与材料的强度有关。因此，更高的强度是能提高抗热疲劳裂纹性的一个因素。

由于模具暴露于高温，所以会出现模具材料的软化。材料的软化也会降低材料的强度，使其更容易产出热疲劳裂纹。因此，模具材料必须具有良好的抗软化性，也称为回火稳定性。

上述操作中所用的许多工具都由于热疲劳裂纹的存在而被停止使用。热疲劳裂纹与常规的疲劳裂纹有相似性。然而，在热疲劳裂纹的情况下，应力是通过循环加热冷却而被引入到工具内的。因此，此工具所用的材料具有良好的抗热疲劳裂纹性是非常重要的。

在加热冷却循环过程中工具的热膨胀将应力引入到工具中。因此，材料应当具有尽量低的热膨胀系数或者具有的热膨胀系数的最小值比当前所用的材料的热膨胀系数低。

将许多工具进行涂布以抵抗腐蚀。因此，模具材料必须能用PVD(物理气相沉积)或其他相关涂布法进行涂布。

虽然有一些应用可采用AS-HIP(直接热等静压)条件下的发明，但大多数应用需要将材料热加工成适合于消费者的更小的部件。因此，材料必须具有良好的热加工性能。

一些材料普遍应用于热作。已开发出H系列工具钢用于这些应用，最常见的是5Cr热作模具钢。所述H系列工具钢包括在美国已知为H13和H11的钢。H13钢种标称有0.38重量％的碳、5.25重量％的铬、1.25重量％的钼、1.0重量％的硅和1.0重量％的钒。除了钒含量为0.5重量％外，H11钢种与H13钢种基本相同。对于更严格的应用，通常采用电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)方法加工H11或H13钢。

这些5Cr工具钢的几种变体也已被使用。在这些变体中，最有名的是为了增加韧性而具有更低硅含量的H11。另一种是为了改善回火稳定性而具有更少的硅和增加的钼的H11。表1列出一些标准的和非标准的市售工具钢的标称化学组成。

表1选出的标准和非标准热作模具钢的标称化学组成