專利名稱：一種超高硬高韌可鍛噴射成形高速鋼及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料與制備領(lǐng)域，具體為針對噴射成形特點(diǎn)而發(fā)明的一種無鈷的高硬高韌可直接鍛造的噴射成形高速鋼新材料，以及噴射成形制備、后續(xù)熱加工與熱處理等的工藝技術(shù)與方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)方式制備的高速鋼由于冷速慢存在晶粒粗大和共晶萊氏體，即使經(jīng)過后續(xù)的反復(fù)熱鍛和熱軋變形等工序，也難徹底解決上述問題。通常晶粒尺寸為100-150 μ m,碳化物為10-20 μ m，且還存在骨架狀形態(tài)。上述問題不僅制約了高速鋼的性能提高，回火后硬度難以突破64-66HRC，更是造成刀具使用時剝落和磨損而降低使用壽命。高合金工模具鋼的發(fā)展受限。為此，人們采用粉末冶金工藝來解決傳統(tǒng)熔鑄工藝無法勝任的生產(chǎn)任務(wù)。例如美國Crucible廠、日本日立金屬安來鋼廠、瑞典Uddeholm公司等。盡管粉末冶金工藝已能成功生產(chǎn)高質(zhì)量的工模具鋼，但實(shí)施這一工藝所帶來的生產(chǎn)步驟繁瑣、生產(chǎn)成本和能源消耗增加等問題卻無法避免。且除價格及其昂貴外，由于粉末制品的固有脆性，使粉末高速鋼在應(yīng)用上也僅適用對塑性要求很低的刀具制品。那么，研究同時具有粉末高速鋼高硬度和高紅硬性，又能保持普通制備方式的高塑性，且成本低廉的新制備技術(shù)，并在此技術(shù)特征下， 研制出系列高性能高速鋼，來解決目前工具行業(yè)提出的新要求和難題，就必然成為研究的方向和重點(diǎn)。噴射成形是同時具有粉末冶金快速冷卻和材料近終成形的一種先進(jìn)工藝技術(shù)，且制備工藝短、成本低。為能夠獲得晶粒細(xì)小、偏析低的材料內(nèi)在組織提供了一種可行的新途徑。因此，近年來，人們在此方面進(jìn)行了大量研究，如采用此工藝進(jìn)行了高溫合金、耐熱鋼、 超高強(qiáng)度鋼、高速鋼等的研究與制備工作，并取得了一定的進(jìn)展。但是，噴射成形工藝制備上述材料目前均存在以下兩大問題(1)新材料設(shè)計(jì)與研制方面未見根據(jù)此工藝特點(diǎn)，或者說，充分發(fā)揮出噴射成形工藝優(yōu)勢，專門設(shè)計(jì)和研制的高性能金屬材料，以期發(fā)揮出材料與工藝的綜合優(yōu)勢。在此噴射成形高速鋼新材料方面目前還未見報(bào)道。(2)工藝方面由于噴射成形特點(diǎn)，一直存在沉積還成分與性能一致性差、致密度低等問題，導(dǎo)致材料熱塑性差。人們?yōu)榇诉M(jìn)行了相當(dāng)研究，也取得了一些進(jìn)展，如上海寶鋼研究院章靖國等提出的通過噴射成形提高材料超塑性方法(申請?zhí)?200410024855. 4)、北京航空材料院張國慶等人提高噴射成形高速鋼沉積坯致密度方法 (申請?zhí)?200710198409. 9)等專利。但這些發(fā)明和進(jìn)展，均是直接將現(xiàn)有材料用噴射成形工藝制備，并沒有專門針對噴射成形技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)和研制新型高速鋼材料，因此，在將材料成分組織設(shè)計(jì)與噴射成形技術(shù)兩者優(yōu)勢發(fā)揮方面，目前還未見報(bào)道。此外，即使制備出的噴射成形高速鋼沉積坯，仍需要采用熱等靜壓和熱擠壓的方式，而不能如傳統(tǒng)制備方式一樣，在鋼錠后直接熱鍛軋方式。
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這不僅極大的增加了材料成本，降低成材率，且需要現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)新增昂貴的熱等靜壓和熱擠壓設(shè)備，難以真正推廣和實(shí)用化。此外，也難以使材料的性能潛力得到更好之發(fā)揮。如熱等靜壓時有可能在某些材料中產(chǎn)生有害的針狀組織，而不得不又附加消除針狀組織的熱處理等等問題。因此，要想真正將噴射成形技術(shù)應(yīng)用于工模具鋼中，并提高性能。必須從原理和工藝上解決上面提到兩類問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于根據(jù)噴射成形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和研制出具有高硬高韌可直接鍛造成形的新型高速鋼；然后，通過噴射成形工藝的改進(jìn)，噴射出具有很好致密度的沉積坯。并通過熱加工工藝的改進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)沉積坯直接鍛造和軋制，避免目前所需的熱等靜壓與熱擠壓。根據(jù)上述目標(biāo)，本發(fā)明在傳統(tǒng)M2等聞速鋼基礎(chǔ)上，參考ASP2023等粉末聞速鋼的成分與性能特點(diǎn)。利用噴射成形特點(diǎn)產(chǎn)生的偏析小、碳與元素固溶度大等工藝優(yōu)點(diǎn)，適當(dāng)增加碳及合金元素(W、Mo等)，并加入強(qiáng)碳化物形成元素Nb，使其從成分上保證材料硬度和高溫紅硬性明顯高于傳統(tǒng)高速鋼，接近于相似檔次的粉末高速鋼。本發(fā)明系統(tǒng)整體方案是(I)成分方面考慮到噴射成形高固溶度、低偏析和晶粒細(xì)小等優(yōu)點(diǎn)，在新型噴射高速鋼成分設(shè)計(jì)時，相對與傳統(tǒng)6542高速鋼，可適當(dāng)提高碳與合金元素含量，以提高材料熱處理后的性能。(2)工藝方面包括高性能沉積坯的獲得、無須熱等靜壓和擠壓工序的直接鍛造、以及最佳熱處理工藝等。本發(fā)明具體方案為(I)成分方面新型噴射成形高速鋼化學(xué)成分(重量％ )為 Cl. 2-1. 8%,W6-8%,Mo5-7%, Cr4-6%, V3-5%,Nbl-3%, Si ( 0. 4，Mn 彡 0· 4，S 彡 0· 03， P彡O. 03，其余為Fe ；C :碳是高速鋼中最重要的元素，它決定淬火時形成馬氏體的硬度和強(qiáng)度，且對回火二次硬化起關(guān)鍵作用，一般C為O. 9-1.3%。本發(fā)明中適當(dāng)提高了合金元素W、Mo以及加入Nb，均將在回火階段形成特殊碳化物，以提高高速鋼硬度之作用，故將C含量提高到 I. 3-1. 8%，與上述合金元素相匹配，以增強(qiáng)基體和第二相強(qiáng)化作用。W、Mo:在高速鋼中最關(guān)健元素，作用為形成相當(dāng)數(shù)量的特殊碳化物，起到二次硬化效果，提高鋼的紅硬性。本發(fā)明中提高上述元素含量，W6-8%，Mo5-7%，擬增加高速鋼淬火馬氏體中的固溶度，在回火時析出更多且彌散分布的二次碳化物(Mo2C、WC)，以提高鋼的硬度和耐磨性。Cr :在高速鋼中不僅起提高淬透性作用，也是重要的碳化物形成元素。其形成 Cr23C6相，對鋼的二次硬化有重要作用。其含量控制在通常的Cr4-6%之間。V :在高速鋼中形成VC碳化物，提高材料的二次硬化效果。特別是一次VC，對提高材料的室溫和高溫耐磨性有重要作用。傳統(tǒng)高速鋼由于其熔煉方式造成的偏析和組織粗大等問題，其含量均低于3%。而噴射成形可有效提高固溶度、冷速快，從而偏析小、組織與第二相細(xì)化。因此，在本發(fā)明中提高其含量到2. 5-4%，以有效的提高鋼的二次硬化效果、高溫硬度與耐磨性。Nb:形成的碳化物具有比VC更好的紅硬性和熱穩(wěn)定性，但傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的高速鋼，由于晶粒粗大、偏析嚴(yán)重的問題，其含量如高于1%，其熱加工性能變差，故一般僅作為細(xì)化晶粒使用，加入量控制在O. 15%以內(nèi)。本發(fā)明中充分發(fā)揮噴射成形固溶度大和低偏析等優(yōu)點(diǎn)，將Nb提高到I. 5-3%,以提高其形成的NbC數(shù)量，使除作為細(xì)化晶粒外，且形成大量彌散分布的一次NbC，從而提高材料的紅硬性和耐磨性能。S :均為鋼中的有害雜質(zhì)元素，S除形成硫化物夾雜使塑性降低外，在含硫氣氛中還易形成(Fe+FeS)共晶，出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。故應(yīng)盡量降低其含量，將其限制在O. 03%以內(nèi)。P :含量過高會導(dǎo)致低溫韌性降低和冷脆轉(zhuǎn)變溫度上升，故其含量盡量降低。以避免或減輕對塑性的不利影響。其限制在O. 03%以內(nèi)。(2)工藝方面高質(zhì)量沉積坯噴射成形工藝從理論上講具有許多優(yōu)點(diǎn)，但長期未能大量推廣應(yīng)用，特別是對熔點(diǎn)較高的鋼鐵材料。其主要原因在于工藝參數(shù)多且相互影響。如熔煉、中間包與噴嘴、沉積過程等。眾所周知沉積質(zhì)量最重要在于其致密度，但如何能提高沉積坯致密度卻一直是困擾到現(xiàn)在的難題。本發(fā)明認(rèn)為致密度關(guān)鍵在于使噴射成形過程中形成的半固態(tài)(液相、固相)在凝固過程中有必要的流動性，填補(bǔ)沉積坯中可能產(chǎn)生的少量疏松、氣孔等缺陷。在鍛造等熱加工方面也同樣需要改進(jìn)我們知道材料裂紋產(chǎn)生幾乎均在拉應(yīng)力狀態(tài)，而通常的空氣錘為單向鍛造，易使高速鋼產(chǎn)生裂紋等。為解決此問題，人們采取多種方法，以提高其熱塑性。如徑向鍛造技術(shù)，將拉應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力和橫向的剪切力，對減少裂紋等有一定作用。但此方法工藝要求高，設(shè)備投資巨大，在高速鋼鍛造中未能真正推廣， 更未見其應(yīng)用于噴射成形制備的沉積坯上。所述高硬高韌可鍛噴射成形高速鋼的制備方法采用的具體方法是先要制取高質(zhì)量沉積坯，高質(zhì)量沉積坯的獲得的方法具體如下(I)采用真空或非真空熔煉，將上述成分之高速鋼在感應(yīng)爐熔化，并加熱至高速鋼熔點(diǎn)100-200°c ;并將其均勻澆注到溫度1000°C以上的中間包。(2)將霧化噴嘴角度由通常的26°左右減少到20°，以保住液固相顆粒有足夠的交匯部分，從而沉積坯鋼錠中部足夠的密度。(3)通過減速器，以控制拉基板速度，調(diào)整其速度與確保液固相致密度的沉積速度相一致，以使不發(fā)生由于基板下降速度過快和未勻速而形成的疏松缺陷。(4)將沉積板加熱到500°C以上，減緩沉積鋼液的溫度下降，以使沉積顆粒到沉積板后，仍具有一定范圍內(nèi)的流動能力。(5)以壓力為0.5-1. 5MPa，純度99%氮?dú)鈱⑵鋸膶?dǎo)流嘴流出的溶液霧化成溶滴， 并在基板上形成柱狀沉積坯，組織尺寸為15-30 μ m,碳化物尺寸為3-8 μ m。上述沉積坯的直接鍛造工藝方法，具體如下(I)沉積坯于鍛造前先于1100-1180°C進(jìn)行大于10小時退火，以使噴射成形中仍有的少量片狀一次碳化物熔斷并球化；(2)將鍛造用模具加熱至500-800°C，鍛造時根據(jù)工藝逐次進(jìn)行鍛造，每火鍛造比不超過35% ；(3)鍛造加熱溫度為1130_1180°C，開鍛溫度為1150-1180°C，終鍛溫度不低于 9000C .鍛造后晶粒和碳化物尺寸進(jìn)一步細(xì)化到10-15 μ m和2-5 μ m ;鍛造后按傳統(tǒng)方式進(jìn)行正常淬火和回火，淬火溫度1180°C，回火溫度560°C。
本發(fā)明與粉末冶金高速鋼相比，具有成本低、工藝流程短等優(yōu)點(diǎn)，成本僅粉末高速鋼的1/5-1/10，工藝流程減少2/3。同時具有接近與同類粉末高速鋼的高硬度和紅硬性，且韌性高于粉末高速鋼的優(yōu)點(diǎn)。因此，不僅發(fā)明了一種新的高性能噴射成形高速鋼鋼和制備技術(shù)，且有可能在此領(lǐng)域帶來顯著的技術(shù)進(jìn)步。本發(fā)明可采用真空或非真空熔煉，噴射成形后，直接鍛造成棒材、板材等。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例噴射成形高速鋼化學(xué)成分(重量％ )為C1. 2-1.8%,W6-8%,Mo5-7%,Cr4-6%, V3-5%, Nbl-3%, Si ( 0. 4，Mn 彡 0· 4，S 彡 O. 03，P 彡 O. 03，其余為 Fe。高硬高韌可鍛噴射成形高速鋼的制備方法采用的具體方法是先要制取高質(zhì)量沉積坯，高質(zhì)量沉積坯的獲得的方法具體如下(I)采用真空或非真空熔煉，將上述成分之高速鋼在感應(yīng)爐熔化，并加熱至高速鋼熔點(diǎn)100-200°c ;并將其均勻澆注到溫度1000°C以上的中間包。(2)將霧化噴嘴角度由通常的26°左右減少到20°，以保住液固相顆粒有足夠的交匯部分，從而沉積坯鋼錠中部足夠的密度。(3)通過減速器，以控制拉基板速度，調(diào)整其速度與確保液固相致密度的沉積速度相一致，以使不發(fā)生由于基板下降速度過快和未勻速而形成的疏松缺陷。(4)將沉積板加熱到500°C以上，減緩沉積鋼液的溫度下降，以使沉積顆粒到沉積板后，仍具有一定范圍內(nèi)的流動能力。(5)以壓力為O. 5_L5MPa，純度99%氮?dú)鈱⑵鋸膶?dǎo)流嘴流出的溶液霧化成溶滴， 并在基板上形成柱狀沉積坯，組織尺寸為15-30 μ m,碳化物尺寸為3-8 μ m。上述沉積坯的直接鍛造工藝方法，具體如下(I)沉積坯于鍛造前先于1100-1180°C進(jìn)行大于10小時退火，以使噴射成形中仍有的少量片狀一次碳化物熔斷并球化；(2)將鍛造用模具加熱至500-800°C，鍛造時根據(jù)工藝逐次進(jìn)行鍛造，每火鍛造比不超過35% ；(3)鍛造加熱溫度為1130_1180°C，開鍛溫度為1150-1180°C，終鍛溫度不低于 9000C .鍛造后晶粒和碳化物尺寸進(jìn)一步細(xì)化到10-15 μ m和2-5 μ m ;鍛造后按傳統(tǒng)方式進(jìn)行正常淬火和回火，淬火溫度1180°C，回火溫度560°C。在25kg中熔煉2爐本發(fā)明鋼并制備出致密的噴射沉積錠，同時便于比較，在噴射工藝前，將約5kg鋼水直接澆注成傳統(tǒng)鑄錠。并將噴射成形高速鋼與普通鋼錠進(jìn)行同工藝鍛造成20mm棒材，以比較其熱塑性。實(shí)施例鋼與對比鋼退火后，加工成試樣，并經(jīng)淬火、回火后，進(jìn)行其力學(xué)性能測試。本發(fā)明鋼與對比鋼比較，其晶粒組織與第二相尺寸較傳統(tǒng)方式制備的高速鋼均下降一個級，達(dá)到與粉末高速鋼同樣的水平。同時，其硬度和紅硬性較傳統(tǒng)鋼明顯提高，達(dá)到甚至超過同類粉末高速鋼。具體見表I、表2、表3、表4和表5。表I :發(fā)明鋼與對比鋼的化學(xué)成分，重量％
權(quán)利要求
1.一種高硬高韌可鍛噴射成形高速鋼，其特征在于該高速鋼的具體化學(xué)成分重量百分比為C 1. 13-1. 8%, W 6-8%, Mo 5-7%, Cr 4-6%, V 3-5%, Nb 1-3%, Si ≤ O. 4，Mn ≤ O. 4， S ≤ O. 03, P≤0.03，其余為Fe以及鋼中所難以避免的微量雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求I所述一種高硬高韌可鍛噴射成形高速鋼的制備方法，其特征在于先要制取高質(zhì)量沉積坯，高質(zhì)量沉積坯的獲得的方法具體如下.(1)采用真空或非真空熔煉，將權(quán)利要求I所述成分之高速鋼在感應(yīng)爐熔化，并加熱至高速鋼熔點(diǎn)100-200°C ;并將其均勻澆注到溫度1000°C以上的中間包；.(2)將霧化噴嘴角度由通常的26°左右減少到20°，以保住液固相顆粒有足夠的交匯部分，從而沉積坯鋼錠中部足夠的密度；.(3)通過減速器，以控制拉基板速度，調(diào)整其速度與確保液固相致密度的沉積速度相一致，以使不發(fā)生由于基板下降速度過快和未勻速而形成的疏松缺陷；.(4)將沉積板加熱到500°C以上，減緩沉積鋼液的溫度下降，以使沉積顆粒到沉積板后， 仍具有一定范圍內(nèi)的流動能力；.(5)以壓力為O.5-1. 5MPa,純度99%氮?dú)鈱⑵鋸膶?dǎo)流嘴流出的溶液霧化成溶滴，并在基板上形成柱狀沉積坯，組織尺寸為15-30 μ m,碳化物尺寸為3-8 μ m。
3.如權(quán)利要求2所述一種高硬高韌可鍛噴射成形高速鋼的制備方法，其特征在于沉積坯的直接鍛造工藝方法，具體如下.(1)沉積坯于鍛造前先于1100-1180°C進(jìn)行大于10小時退火，以使噴射成形中仍有的少量片狀一次碳化物熔斷并球化；.(2)將鍛造用模具加熱至500-800°C，鍛造時根據(jù)工藝逐次進(jìn)行鍛造，每火鍛造比不超過 35% ；.(3)鍛造加熱溫度為1130-1180°C，開鍛溫度為1150-11801，終鍛溫度不低于9001. 鍛造后晶粒和碳化物尺寸進(jìn)一步細(xì)化到10-15μπι和2-5 μ m ;鍛造后按傳統(tǒng)方式進(jìn)行正常淬火和回火，淬火溫度1180°C，回火溫度560°C。
全文摘要
一種高硬高韌可鍛噴射成形高速鋼及制備方法，屬于材料與制備領(lǐng)域?；瘜W(xué)成分為C1.3-1.8%,W6-8%,Mo5-7%,Cr4-6%,V3-5%,Nb1-3%,Si≤0.4,Mn≤0.4,S≤0.03,P≤0.03，其余為Fe。在工藝上通過調(diào)整霧化噴嘴角度、控制拉基板速度，加熱到沉積板、減緩沉積鋼液的溫度下降，溶液霧化成溶滴的方式在基板上獲得組織尺寸為15-30μm，碳化物尺寸為3-8μm的柱狀沉積坯。沉積坯鍛造前先于1100-1180℃進(jìn)行退火，鍛造時根據(jù)工藝逐次進(jìn)行鍛造，每火鍛造比不超過35%；鍛造加熱溫度為1130-1180℃，終鍛溫度不低于900℃.鍛造后晶粒和碳化物尺寸進(jìn)一步細(xì)化到10-15μm和2-5μm。本發(fā)明具有成本低、工藝流程短，成本僅粉末高速鋼的1/5-1/10，工藝流程減少2/3。同時具有接近與同類粉末高速鋼的高硬度和紅硬性，且韌性高于粉末高速鋼的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C21D8/00GK102605263SQ201210113019
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者于一鵬, 崔華, 張濟(jì)山, 蔡玉麗, 黃進(jìn)峰 申請人:北京科技大學(xué)