粉末冶金耐磨耐蝕工具鋼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種工具鋼，尤其涉及一種粉末冶金耐磨耐蝕工具鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 在一些特殊工況條件下，工具或零部件不僅經(jīng)受運動部件或工作介質(zhì)中硬的研磨 顆粒直接接觸引起磨損，還經(jīng)受潮濕、酸或其它腐蝕劑的腐蝕作用，這樣一種典型的工況如 用于塑料機械擠注塑成形的螺桿、螺桿頭或螺桿套筒等零部件，一方面由于塑料中添加大 量硬質(zhì)顆粒，如玻璃纖維、碳纖維等，導致這些零部件磨損加劇，另一方面塑料中腐蝕性成 分對零部件產(chǎn)生化學腐蝕。為了使應用于這些特殊工況的零部件具備長的使用壽命，所使 用工具鋼必須具有高的耐磨性能和耐蝕性能，另外為了承受工作應力加載和沖擊，工具鋼 需具備一定的硬度和韌性。工具鋼的耐磨性能取決于基體硬度以及鋼中存在的硬質(zhì)第二相 的含量、形態(tài)以及粒度分布。鋼中的硬質(zhì)第二相包括M 6C、M2C、M23C6、M7C 3以及MC等，MC碳 化物的顯微硬度高于其它碳化物，作業(yè)過程中能夠更好地保護基體，從而減少磨損的發(fā)生， 提尚工t旲具的使用壽命。工具鋼耐蝕性能的提尚主要依賴于絡(luò)兀素在基體中的固溶，認為 至少11%的鉻固溶于基體是必要的。工具鋼的韌性取決于基體強度以及第二相的分布狀 態(tài)，鋼中粗大碳化物的存在引起應力集中，使工具鋼韌性降低，導致在較低的外力加載下發(fā) 生斷裂，為了提高工具鋼韌性，減少碳化物含量或細化碳化物粒度是重要的手段。工具鋼使 用過程中為了避免塑性變形發(fā)生，工具鋼通常要求硬度達到HRC60以上。
[0003] 目前工具鋼主要采用傳統(tǒng)的鑄鍛工藝制備，采用鑄鍛工藝制備工具鋼受到工藝過 程鋼液緩慢冷卻凝固特點的限制，合金成分在凝固過程中容易發(fā)生偏析，形成粗大的碳化 物組織，即使經(jīng)過后續(xù)鍛軋?zhí)幚恚@種不良組織仍然會對合金性能帶來不良影響，導致鑄鍛 工具鋼性能上包括強度、韌性、耐磨性能、可磨削性能等處于偏低水平，難以滿足高端加工 制造對材料使用性能及壽命穩(wěn)定性的要求。采用粉末冶金工藝制備工具鋼解決了合金元素 偏析的問題，粉末冶金工藝制備工具鋼的主要步驟包括：霧化制粉一粉末固結(jié)成形，在上述 霧化制粉環(huán)節(jié)，鋼液被快速冷卻成粉末，鋼液中合金元素來不及偏析即完全凝固，粉末固結(jié) 成材后組織細小均勻，相比鑄鍛合金性能有大幅度提升，目前對于一些性能要求極高的高 合金工具鋼只有采用粉末冶金工藝進行制備才能滿足要求。采用粉末冶金工藝制備工具鋼 已有報道，但部分鋼種成分設(shè)計不夠合理，組織及性能有待進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種具有優(yōu)異性能的粉末冶金耐磨 耐蝕工具鋼。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的粉末冶金耐磨耐蝕工具鋼其化學組分按質(zhì)量百分比 計包括：C :1· 8%-2· 3%，W :0· 1%-1· 0%，Mo :彡 L 8%，Cr :18· 2%-24· 0%，V :3· 0%-5· 2%，Nb : 0· 2%-1· 8%，Co :0· 1%-0· 5%，Si :彡 L 0%，Mn :0· 2%-1· 0%，N :0· 05%-0· 5%，余量為鐵和雜質(zhì)； 所述粉末冶金耐磨耐蝕工具鋼的碳化物組成為MC碳化物和M7C3碳化物，其中MC碳化物的 類型為（V、Nb) (C、N)。
[0006] 本發(fā)明通過合金成分的設(shè)計，以獲得一種具有優(yōu)異耐磨耐蝕性能的工具鋼。
[0007] C元素部分固溶于基體，提高基體強度，同時，C元素是碳化物的組成元素之一，含 量不能小于1. 8%，以保證合金元素能夠充分參與碳化物析出，C的最大含量不超過2. 3%，避 免過多的C固溶于基體導致韌性下降，在C含量I. 8%-2. 3%范圍內(nèi)，能夠獲得最大耐磨性能 以及強韌性的配合。
[0008] W、Mo固溶于基體，提高基體淬透性，本發(fā)明W含量范圍是0. 1%-1. 0%，Mo的含量 范圍是Mo < 1. 8%。
[0009] Cr -方面固溶于基體，提高耐蝕性能及淬透性，另一方面Cr以M7C3碳化物形式 析出，考慮到Cr固溶于基體以及以碳化物形式析出之間存在的平衡，本發(fā)明的Cr含量為 18. 2%-24, 0%〇
[0010] V主要用于形成MC型碳化物，提高工具鋼的耐磨性能，V含量控制范圍為 3. 0%-5. 2%。
[0011] Nb的作用與V類似，參與形成MC碳化物，本發(fā)明工具鋼Nb固溶于MC碳化物，提高 MC碳化物析出時的形核數(shù)量，促進MC碳化物析出和細化，提高耐磨性能；Nb添加含量上限 在于避免富Nb的MC碳化物析出；本發(fā)明控制Nb的含量范圍為0. 2%-1. 8%。
[0012] Co主要固溶于基體，促進碳化物析出，細化碳化物顆粒度，本發(fā)明Co含量的范圍 為 0· 1%-0· 5%。
[0013] Si不參與碳化物形成，作為一種脫氧劑和基體強化元素來使用，Si過多會使基體 的韌性下降，因此Si含量范圍限定為Si < 1. 0%。
[0014] Mn作為脫氧劑加入，可以固硫減少熱脆性，另外錳增加淬透性，本發(fā)明Mn含量范 圍為 0· 2%-1· 0%。
[0015] N參與形成MC碳化物，快速冷卻條件下，N促進MC碳化物形核析出，同時不會導致 MC碳化物過分長大，有利于提高耐磨性能，N同時促進鋼的耐蝕性能提高，限定N含量范圍 為 0· 05%-0· 5%。
[0016] 本發(fā)明工具鋼V、Nb、C、N等合金元素形成MC碳化物類型為（V、Nb) (C、N)，鋼液快 速冷卻凝固條件下，添加的Nb和N參與MC碳化物形成，提高碳化物形核率和細化MC碳化 物顆粒，使工具鋼韌性提高。
[0017] 作為對上述方式的限定，所述雜質(zhì)包括0, 0 < 0. 01%。
[0018] 0過高導致工具鋼韌性下降，本發(fā)明控制0含量< 0. 01%，以確保鋼的優(yōu)良性能。
[0019] 作為對上述方式的限定，其化學組分按質(zhì)量百分比計包括：C :1. 8%-2. 2%，W : 0· 1%-0· 8%，Mo :彡 L 8%，Cr :18· 2%-23· 0%，V :3· 0%-5· 0%，Nb :0· 2%-1· 5%，Co :0· 1%-0· 4%， Si :彡 0· 8%，Mn :0· 2%-0· 8%，N :0· 05%-0· 4%，0 彡 0· 008%，余量為鐵和雜質(zhì)。
[0020] 為了達到更好的綜合性能，本發(fā)明粉末冶金耐磨耐蝕工具鋼中的各化學組分應控 制在要求范圍之內(nèi)。
[0021] 作為對上述方式的限定，所述MC碳化物的體積分數(shù)為2%_6%。
[0022] 作為對上述方式的限定，所述MC碳化物至少80V〇1% MC碳化物尺寸為 0· 5-1. 1 μ m，最大M