CN102337479A

CN102337479A - 适用于单晶金刚石切削的超细晶钢及其制备方法

Info

Publication number: CN102337479A
Application number: CN2011103223898A
Authority: CN
Inventors: 房丰洲; 李占杰; 宫虎; 张效栋
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2012-02-01

Abstract

本发明涉及适用于单晶金刚石切削的超细晶钢及其制备方法。超细晶钢化学成份及重量百分含量为碳：0.21-0.3，镍：5.1-5.3，铜：1.1-1.2，硅：0.5-0.6，铝：3.1-4.0，铬：0.15-0.2，钼：0.4-0.5，锰：1.2-1.5，钒：0.08-0.1，钛：0.4-0.5，铌：0.05-0.09，硼：0.0008-0.0015，镁：0.006-0.007，铁：余量。加入纯净低碳钢、金属镍、金属铜、铌铁合金、钼铁合金，熔化后加入纯净铬铁合金、硅铁合金、钒铁合金、低碳锰铁合金和钛铁合金，加入纯净硼铁合金和金属铝，将金属镁以包芯线的方式射入增压电渣重熔炉内，以氮气作为保护气，在重熔熔炼过程中连续均匀地往渣池加入纳米级粉体形核剂，获得晶粒尺寸小于1μm的超细晶钢。本发明工艺操作精确简单，对环境无污染。可用于各种模具的制造，尤其适用于单晶金刚石切削加工。

Description

适用于单晶金刚石切削的超细晶钢及其制备方法

技术领域

本发明属于超精密切削加工的新技术，涉及一种结合表面改性技术的尤其适用于单晶金刚石切削的超细晶钢及其制备方法。

背景技术

由于单晶金刚石切削可在加工后获得极佳的表面粗糙度，实现纳米级表面，它已成为制作高精度光学器件和高精度模具的重要加工方法。钢铁材料作为用途最广的工程材料，以其成本低廉，功能多样化而备受超精密加工领域的重视。然而，由于用单晶金刚石刀具切削钢铁材料时会产生巨大的刀具化学磨损，所以传统意义上认为金刚石不能切削黑色金属。若将单晶金刚石切削应用于钢材的超精密加工，各类高精度元器件的应用将更加广泛，具有重大的社会效益和经济效益。因此，我们课题组前期开发了一种高氮模具钢并申请了专利，即“一种适用于单晶金刚石车削的高氮模具钢及其制备方法”(申请号：200910068140.1)。试制后的模具钢在渗氮后对刀具的磨损抑制效果比较好，但存在如下不足：

(1)获得的模具钢晶粒尺寸较大，强度和韧性较低；

(2)模具钢制备过程中采用高氮电极致使氮含量偏高，这样在渗氮时就相对降低了氮势，导致渗氮时间加长引起工件较大变形，且获得的化合物层厚度较小。随后单晶金刚石车削时将会切削到基体材料，从而产生较大的刀具磨损，继而降低工件表面质量。

发明内容

本发明针对以上不足，创新性地提出了一种以纳米级粉体颗粒为形核剂的超细晶钢及其制备方法，外加纳米级粉体颗粒的作用主要表现在细化晶粒，其晶粒尺寸可达到1μm以下，一方面，大幅度增加晶界体积分数，为氮原子的扩散提供大量通道，可以明显提高渗氮速度，在相同的渗氮条件下，大幅度减小渗氮时间即降低氮势门槛值，从而获得单晶金刚石可切削的化合物层厚度明显增大且均匀；另一方面，可显著提高抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击韧度等综合力学性能。

本发明以纳米级粉体颗为形核剂的超细晶钢，其化学成份及重量百分含量如下：

碳：0.21-0.3，镍：5.1-5.3，铜：1.1-1.2，硅：0.5-0.6，铝：3.1-4.0，铬：0.15-0.2，钼：0.4-0.5，锰：1.2-1.5，钒：0.08-0.1，钛：0.4-0.5，铌：0.05-0.09，硼：0.0008-0.0015，镁：0.006-0.007，铁：余量。

制备方法是：最先加入低碳钢850～950公斤，金属镍65～75公斤，金属铜9～15公斤，铌铁合金1.1～1.4公斤，钼铁合金6～8公斤熔化后，加入铬铁合金3～4.2公斤，硅铁合金8.5～10公斤，钒铁合金11～14公斤，低碳锰铁合金18～22公斤，钛铁合金9～12公斤，待熔融后加入硼铁合金0.2～0.5公斤，金属铝95～115公斤，最后将金属镁0.3～0.5公斤以包芯线的方式射入增压电渣重熔炉内，以氮气作为保护气，在重熔熔炼过程中连续均匀地往渣池加入纳米级粉体形核剂，获得晶粒尺寸小于1μm的超细晶钢。在重熔熔炼过程中连续均匀地往渣池加入体积分数为1.1％纳米级粉体形核剂，获得晶粒尺寸小于1μm的超细晶钢。

所述的纳米级粉体为ZrC、ZrO₂、TiC、TiO、TiN、NbN、ZrN或NbC纳米级粉体颗粒。所述熔炼方法为增压电渣重熔法。

获得的超细晶钢进行粗加工接近工件设计尺寸，然后再半精加工、精加工使工件达到较小的形貌误差；对精加工工件的待加工表面进行表面改性处理，获得适合单晶金刚石切削的化合物层。

所采用的表面改性为化学热处理且不局限于一种，采用低温气体渗氮或低温离子渗氮，以减小工件变形，同时，超细晶为渗氮时氮原子的扩散提供大量通道，明显提高渗氮速度，在相同的渗氮条件下，大幅度减小渗氮时间即降低氮势门槛值，从而获得单晶金刚石可切削的化合物层厚度明显增大且均匀；低温渗氮获得的化合物层主要成分为Fe_2-3N和Fe₄N；切削深度要小于化合物层厚度。

本发明高度的含量的测定范围，是本发明经过无数次实验和研究所得的技术方案，其中镁可以降低合金中硫、磷等有害杂质的影响，以及在熔炼过程中良好的脱氧去气作用，对冶金质量产生有利影响，还可以分割和改变合金中晶界碳化物的析出形态，使晶内组织得到细化，从而使晶内晶界组织得到良好匹配，使持久塑性和寿命获得明显改善。但是，镁加入量不足，将不能使钢进行充分的脱氧、脱硫反应，不利于夹杂物的去除；镁加入超过脱氧、脱硫和微合金化所需的量不仅是浪费，而且由于反应过于剧烈，将使上浮到钢液表面和渣中的MgO、MgS等夹杂物又卷入钢液中。此外，加入过量的镁可导致钢液在凝固过程中形成富MgS的MgS·MgO复合夹杂，它不仅易于成核，而且易于集聚长大。因此镁：0.006-0.007。

主要夹杂：磷：≤0.003，硫：≤0.002。

其制备方法：是将原料按重量比，按下列顺序依次加入增压电渣重熔炉内：最先加入低碳钢、金属镍、金属铜、铌铁合金、钼铁合金，熔化后加入铬铁合金、硅铁合金、钒铁合金、低碳锰铁合金和钛铁合金，待熔融后加入硼铁合金和金属铝，最后将金属镁以包芯线的方式射入增压电渣重熔炉内，以氮气作为保护气，在重熔过程中连续均匀地往渣池加入纳米级粉体颗粒形核剂，最终获得高度均匀化、高强度的超细晶钢。然后再对超细晶钢进行粗加工接近工件设计尺寸，接着再半精加工、精加工使工件达到较小的形貌误差并对待加工表面进行渗氮处理，获得适合单晶金刚石切削的化合物层。

本发明的优点：

1、工艺操作精确简单，对环境无污染。

2、属于低磷、低硫高洁净度、高性能的特种钢材。

3、应用范围广，可用于各种模具的制造，尤其适用于单晶金刚石切削加工。

4、相比现在普遍使用的进口模具钢具备更好的机械力学性能，且生产成本低廉。

5、进一步降低金刚石刀具的磨损，延长刀具寿命，并提高工件的表面质量。

具体实施方式

实施例1：

将各原料按重量：低碳钢900公斤，金属镍70公斤，金属铜15公斤，铌铁合金1.4公斤，钼铁合金8公斤，铬铁合金4公斤，硅铁合金9公斤，钒铁合金12.5公斤，低碳锰铁合金22公斤，钛铁合金10公斤，硼铁合金0.3公斤，金属铝112公斤，将纯度为98％的金属镁包芯线0.4公斤配料，并按上述顺序依次加入增压电渣重熔炉内。

将平均粒度小于30nm的纯度大于99％的ZrC粉体压制成长2mm宽2mm高1mm的小块，以氮气作为保护气，在重熔过程中连续均匀地往渣池加入粉体小块共11公斤，最终获得高度均匀化、高强度的超细晶钢。

其化学成分(Wt％)：

碳：0.26，镍：5.25，铜：1.2，硅：0.58，铝：3.95，铬：0.19，钼：0.5，锰：1.5，钒：0.09，钛：0.46，铌：0.09，硼：0.0013。镁：0.0065，铁：85.9194。

主要夹杂：

磷：0.0017，硫：0.0011。

将此超细晶钢料在普通车床上用硬质合金刀具粗车成高15mm直径为20mm的圆柱形工件；再精车其端平面达到Ra 1μm；在磨床上将端平面磨削达到Ra 100nm；然后进行500℃×9h低温离子渗氮，获得平均厚度为24μm的化合物层；在超精密车床上，采用单晶金刚石刀具刀尖半径0.5mm，刀前角0°，刀后角15°，主轴转速1500rpm，进给速率3mm/min，切削深度3μm车削化合物层，获得Ra 6.03nm的镜面级表面质量，刀具无明显磨损。

实施例2：

将各原料按重量：低碳钢850公斤，金属镍75公斤，金属铜10公斤，铌铁合金1.1公斤，钼铁合金6公斤，铬铁合金4.2公斤，硅铁合金8.5公斤，钒铁合金11公斤，低碳锰铁合金18公斤，钛铁合金12公斤，硼铁合金0.2公斤，金属铝95公斤，将纯度为98％的金属镁包芯线0.3公斤配料，并按上述顺序依次加入增压电渣重熔炉内。

将平均粒度小于30nm的纯度大于99％的ZrO₂粉体压制成长2mm宽2mm高2mm的小块，以氮气作为保护气，在重熔过程中连续均匀地往渣池加入粉体小块共11公斤，最终获得高度均匀化、高强度的超细晶钢。

其化学成分(Wt％)：

碳：0.21，镍：5.3，铜：1.12，硅：0.5，铝：3.1，铬：0.2，钼：0.4，锰：1.2，钒：0.08，钛：0.5，铌：0.05，硼：0.0008，镁：0.006，铁：87.3304。

主要夹杂：

磷：0.0015，硫：0.0013。

将此超细晶钢料在普通车床上用硬质合金刀具粗车成高15mm直径为20mm的圆柱形工件；再精车其端平面达到Ra 1μm；在磨床上将端平面磨削达到Ra 100nm；然后进行450℃×12h低温气体渗氮，获得平均厚度为21μm的化合物层；在超精密车床上，采用单晶金刚石刀具刀尖半径0.5mm，刀前角0°，刀后角15°，主轴转速1500rpm，进给速率3mm/min，切削深度3μm车削化合物层，获得Ra小于6.78nm的镜面级表面质量，刀具无明显磨损。

实施例3：

将各原料按重量：低碳钢950公斤，金属镍65公斤，金属铜9公斤，铌铁合金1.3公斤，钼铁合金7公斤，铬铁合金3公斤，硅铁合金10公斤，钒铁合金14公斤，低碳锰铁合金20公斤，钛铁合金9公斤，硼铁合金0.5公斤，金属铝115公斤，将纯度为98％的金属镁包芯线0.5公斤配料，并按上述顺序依次加入增压电渣重熔炉内。

将平均粒度小于30nm的纯度大于99％的TiC粉体压制成长2mm宽1mm高1mm的小块，以氮气作为保护气，在重熔过程中连续均匀地往渣池加入粉体小块共11公斤，最终获得高度均匀化、高强度的超细晶钢。

其化学成分(Wt％)：

碳：0.3，镍：5.1，铜：1.1，硅：0.6，铝：4.0，铬：0.15，钼：0.46，锰：1.3，钒：0.1，钛：0.4，铌：0.08，硼：0.0015，镁：0.007，铁：86.3981。

主要夹杂：

磷：0.002，硫：0.0014。

将此超细晶钢料在普通车床上用硬质合金刀具粗车成高15mm直径为20mm的圆柱形工件；再精车其端平面达到Ra 1μm；在磨床上将端平面磨削达到Ra 100nm；然后进行450℃×15h低温离子渗氮，获得平均厚度为23μm的化合物层；在超精密车床上，采用单晶金刚石刀具刀尖半径0.5mm，刀前角0°，刀后角15°，主轴转速1500rpm，进给速率3mm/min，切削深度3μm车削化合物层，获得Ra 5.72nm的镜面级表面质量，刀具无明显磨损。

其中：铌铁合金(含铌约66％)和钼铁合金(含钼约65％)，铬铁合金(含铬约60％)、硅铁合金(含硅约75％)、钒铁合金(含钒约10％)、低碳锰铁合金(含锰约85％)和钛铁合金(含钛约75％)，硼铁合金(含硼约10％)，金属镁包芯线(纯度为98％)。

纯净低碳钢、金属镍、金属铜、铌铁合金、钼铁合金，熔化后加入不易发生氧化的纯净铬铁合金、硅铁合金、钒铁合金、低碳锰铁合金和钛铁合金，待熔融后加入纯净硼铁合金和金属铝，

参考文献1中，ZrC粒子尺寸分布为0.2～1.2μm时，钢晶粒尺寸被细化到1～2μm，本发明使用的形核剂为平均粒度小于30nm的纯度大于99％的ZrC粉体颗粒，尺寸仅为参考文献1中ZrC粒子的七分之一到四十分之一，因此钢晶粒尺寸必小于1μm。

参考文献2第7页指出，“对现在大量生产的碳素结构钢，只要把晶粒细化到小于5μm，其强度就可有200MPa提高到400MPa以上。对低合金钢晶粒度细化至2μm左右，强度可提高到800MPa以上”。第8页指出，“超细晶化目标与两个因素有关：第一，只要达到5μm左右的晶粒尺寸就能满足“强度翻番”要求”。

参考文献3在平均粒径为1.3μm的ZrC颗粒条件下晶粒尺寸被细化到5.5μm，获得了“抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧性和维氏硬度分别达到635MPa、517.5MPa、20.66％、215.0J/cm²和214Hv5，获得了最佳综合力学性能”。

参考文献2第9页指出，“在晶粒尺寸细化达亚微米或甚至更加超细化后，晶界面积增大”。这将为氮原子的扩散提供大量通道，从而提高渗氮速度、大幅度减小渗氮时间，进而获得单晶金刚石可切削的化合物层厚度将明显增大且均匀。

本发明提出的适用于单晶金刚石切削的超细晶钢及其制备方法，已通过实例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的制作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims

1.一种适用于单晶金刚石切削的超细晶钢，其特征是化学成份及重量百分含量为：碳：0.21-0.3，镍：5.1-5.3，铜：1.1-1.2，硅：0.5-0.6，铝：3.1-4.0，铬：0.15-0.2，钼：0.4-0.5，锰：1.2-1.5，钒：0.08-0.1，钛：0.4-0.5，铌：0.05-0.09，硼：0.0008-0.0015，镁：0.006-0.007，铁：余量。

2.采用权利要求1的化学成份制备适用于单晶金刚石切削的超细晶钢的方法，其特征在于，最先加入低碳钢850～950公斤，金属镍65～75公斤，金属铜9～15公斤，铌铁合金1.1～1.4公斤，钼铁合金6～8公斤熔化后，加入铬铁合金3～4.2公斤，硅铁合金8.5～10公斤，钒铁合金11～14公斤，低碳锰铁合金18～22公斤，钛铁合金9～12公斤，待熔融后加入硼铁合金0.2～0.5公斤，金属铝95～115公斤，最后将金属镁0.3～0.5公斤以包芯线的方式射入增压电渣重熔炉内，以氮气作为保护气，在重熔熔炼过程中连续均匀地往渣池加入纳米级粉体形核剂，获得晶粒尺寸小于1μm的超细晶钢。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的纳米级粉体为ZrC、ZrO₂、TiC、TiO、TiN、NbN、ZrN或NbC纳米级粉体颗粒。

4.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的熔炼方法为增压电渣重熔法。

5.如权利要求2所述的方法，其特征是获得的超细晶钢进行粗加工接近工件设计尺寸，然后再半精加工、精加工使工件达到较小的形貌误差；对精加工工件的待加工表面进行表面改性处理，获得适合单晶金刚石切削的化合物层。

6.如权利要求5所述的方法，其特征是所采用的表面改性为化学热处理且不局限于一种，采用低温气体渗氮或低温离子渗氮，以减小工件变形，同时，超细晶为渗氮时氮原子的扩散提供大量通道，明显提高渗氮速度，在相同的渗氮条件下，大幅度减小渗氮时间即降低氮势门槛值，从而获得单晶金刚石可切削的化合物层厚度明显增大且均匀；低温渗氮获得的化合物层主要成分为Fe_2-3N和Fe₄N；切削深度要小于化合物层厚度。