CN102605263B

CN102605263B - 一种超高硬高韧可锻喷射成形高速钢及制备方法

Info

Publication number: CN102605263B
Application number: CN201210113019.8A
Authority: CN
Inventors: 黄进峰; 于一鹏; 张济山; 蔡玉丽; 崔华
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102605263A

Abstract

一种高硬高韧可锻喷射成形高速钢及制备方法，属于材料与制备领域。化学成分为：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，其余为Fe。在工艺上通过调整雾化喷嘴角度、控制拉基板速度，加热到沉积板、减缓沉积钢液的温度下降，溶液雾化成溶滴的方式在基板上获得组织尺寸为15-30μm，碳化物尺寸为3-8μm的柱状沉积坯。沉积坯锻造前先于1100-1180℃进行退火，锻造时根据工艺逐次进行锻造，每火锻造比不超过35%；锻造加热温度为1130-1180℃，终锻温度不低于900℃.锻造后晶粒和碳化物尺寸进一步细化到10-15μm和2-5μm。本发明具有成本低、工艺流程短，成本仅粉末高速钢的1/5-1/10，工艺流程减少2/3。同时具有接近与同类粉末高速钢的高硬度和红硬性，且韧性高于粉末高速钢的优点。

Description

一种超高硬高韧可锻喷射成形高速钢及制备方法

技术领域：

本发明属于材料与制备领域，具体为针对喷射成形特点而发明的一种无钴的高硬高韧可直接锻造的喷射成形高速钢新材料，以及喷射成形制备、后续热加工与热处理等的工艺技术与方法。

背景技术：

传统方式制备的高速钢由于冷速慢存在晶粒粗大和共晶莱氏体，即使经过后续的反复热锻和热轧变形等工序，也难彻底解决上述问题。通常晶粒尺寸为100-150μm,碳化物为10-20μm，且还存在骨架状形态。上述问题不仅制约了高速钢的性能提高，回火后硬度难以突破64-66HRC，更是造成刀具使用时剥落和磨损而降低使用寿命。高合金工模具钢的发展受限。

为此，人们采用粉末冶金工艺来解决传统熔铸工艺无法胜任的生产任务。例如美国Crucible厂、日本日立金属安来钢厂、瑞典Uddeholm公司等。尽管粉末冶金工艺已能成功生产高质量的工模具钢，但实施这一工艺所带来的生产步骤繁琐、生产成本和能源消耗增加等问题却无法避免。且除价格及其昂贵外，由于粉末制品的固有脆性，使粉末高速钢在应用上也仅适用对塑性要求很低的刀具制品。那么，研究同时具有粉末高速钢高硬度和高红硬性，又能保持普通制备方式的高塑性，且成本低廉的新制备技术，并在此技术特征下，研制出系列高性能高速钢，来解决目前工具行业提出的新要求和难题，就必然成为研究的方向和重点。

喷射成形是同时具有粉末冶金快速冷却和材料近终成形的一种先进工艺技术，且制备工艺短、成本低。为能够获得晶粒细小、偏析低的材料内在组织提供了一种可行的新途径。因此，近年来，人们在此方面进行了大量研究，如采用此工艺进行了高温合金、耐热钢、超高强度钢、高速钢等的研究与制备工作，并取得了一定的进展。

但是，喷射成形工艺制备上述材料目前均存在以下两大问题：（1）新材料设计与研制方面：未见根据此工艺特点，或者说，充分发挥出喷射成形工艺优势，专门设计和研制的高性能金属材料，以期发挥出材料与工艺的综合优势。在此喷射成形高速钢新材料方面目前还未见报道。（2）工艺方面：由于喷射成形特点，一直存在沉积坯成分与性能一致性差、致密度低等问题，导致材料热塑性差。人们为此进行了相当研究，也取得了一些进展，如：上海宝钢研究院章靖国等提出的通过喷射成形提高材料超塑性方法（申请号：200410024855.4）、北京航空材料院张国庆等人提高喷射成形高速钢沉积坯致密度方法（申请号：200710198409.9）等专利。

但这些发明和进展，均是直接将现有材料用喷射成形工艺制备，并没有专门针对喷射成形技术特点设计和研制新型高速钢材料，因此，在将材料成分组织设计与喷射成形技术两者优势发挥方面，目前还未见报道。此外，即使制备出的喷射成形高速钢沉积坯，仍需要采用热等静压和热挤压的方式，而不能如传统制备方式一样，在钢锭后直接热锻轧方式。

这不仅极大的增加了材料成本，降低成材率，且需要现有生产企业新增昂贵的热等静压和热挤压设备，难以真正推广和实用化。此外，也难以使材料的性能潜力得到更好之发挥。如：热等静压时有可能在某些材料中产生有害的针状组织，而不得不又附加消除针状组织的热处理等等问题。

因此，要想真正将喷射成形技术应用于工模具钢中，并提高性能。必须从原理和工艺上解决上面提到两类问题。

发明内容：

本发明目的在于根据喷射成形特点，设计和研制出具有高硬高韧可直接锻造成形的新型高速钢；然后，通过喷射成形工艺的改进，喷射出具有很好致密度的沉积坯。并通过热加工工艺的改进，能实现沉积坯直接锻造和轧制，避免目前所需的热等静压与热挤压。

根据上述目标，本发明在传统M2等高速钢基础上，参考ASP2023等粉末高速钢的成分与性能特点。利用喷射成形特点产生的偏析小、碳与元素固溶度大等工艺优点，适当增加碳及合金元素(W、Mo等)，并加入强碳化物形成元素Nb，使其从成分上保证材料硬度和高温红硬性明显高于传统高速钢，接近于相似档次的粉末高速钢。

本发明系统整体方案是：(1)成分方面：考虑到喷射成形高固溶度、低偏析和晶粒细小等优点，在新型喷射高速钢成分设计时，相对与传统6542高速钢，可适当提高碳与合金元素含量，以提高材料热处理后的性能。(2)工艺方面：包括高性能沉积坯的获得、无须热等静压和挤压工序的直接锻造、以及最佳热处理工艺等。

本发明具体方案为：(1)成分方面：新型喷射成形高速钢化学成分(重量％)为：C1.2-1.8％，W6-8％，Mo5-7％，Cr4-6％，V3-5％，Nb1-3％，Si≤0.4，Mn≤0.4，S≤0.03，P≤0.03，其余为Fe；

C：碳是高速钢中最重要的元素，它决定淬火时形成马氏体的硬度和强度，且对回火二次硬化起关键作用，一般C为0.9-1.3％。本发明中适当提高了合金元素W、Mo以及加入Nb，均将在回火阶段形成特殊碳化物，以提高高速钢硬度之作用，故将C含量提高到1.3-1.8％，与上述合金元素相匹配，以增强基体和第二相强化作用。

W、Mo：在高速钢中最关健元素，作用为形成相当数量的特殊碳化物，起到二次硬化效果，提高钢的红硬性。本发明中提高上述元素含量，W6-8％，Mo5-7％，拟增加高速钢淬火马氏体中的固溶度，在回火时析出更多且弥散分布的二次碳化物(Mo₂C、WC)，以提高钢的硬度和耐磨性。

Cr：在高速钢中不仅起提高淬透性作用，也是重要的碳化物形成元素。其形成Cr₂₃C₆相，对钢的二次硬化有重要作用。其含量控制在通常的Cr4-6％之间。

V：在高速钢中形成VC碳化物，提高材料的二次硬化效果。特别是一次VC，对提高材料的室温和高温耐磨性有重要作用。传统高速钢由于其熔炼方式造成的偏析和组织粗大等问题，其含量均低于3％。而喷射成形可有效提高固溶度、冷速快，从而偏析小、组织与第二相细化。因此，在本发明中提高其含量到2.5-4％，以有效的提高钢的二次硬化效果、高温硬度与耐磨性。

Nb：形成的碳化物具有比VC更好的红硬性和热稳定性，但传统方式生产的高速钢，由于晶粒粗大、偏析严重的问题，其含量如高于1％，其热加工性能变差，故一般仅作为细化晶粒使用，加入量控制在0.15％以内。本发明中充分发挥喷射成形固溶度大和低偏析等优点，将Nb提高到1.5-3％，以提高其形成的NbC数量，使除作为细化晶粒外，且形成大量弥散分布的一次NbC，从而提高材料的红硬性和耐磨性能。

S：均为钢中的有害杂质元素，S除形成硫化物夹杂使塑性降低外，在含硫气氛中还易形成(Fe+FeS)共晶，出现龟裂现象。故应尽量降低其含量，将其限制在0.03％以内。

P：含量过高会导致低温韧性降低和冷脆转变温度上升，故其含量尽量降低。以避免或减轻对塑性的不利影响。其限制在0.03％以内。

(2)工艺方面：

高质量沉积坯：喷射成形工艺从理论上讲具有许多优点，但长期未能大量推广应用，特别是对熔点较高的钢铁材料。其主要原因在于工艺参数多且相互影响。如：熔炼、中间包与喷嘴、沉积过程等。众所周知：沉积质量最重要在于其致密度，但如何能提高沉积坯致密度却一直是困扰到现在的难题。本发明认为：致密度关键在于使喷射成形过程中形成的半固态(液相、固相)在凝固过程中有必要的流动性，填补沉积坯中可能产生的少量疏松、气孔等缺陷。

在锻造等热加工方面也同样需要改进：我们知道：材料裂纹产生几乎均在拉应力状态，而通常的空气锤为单向锻造，易使高速钢产生裂纹等。为解决此问题，人们采取多种方法，以提高其热塑性。如：径向锻造技术，将拉应力改变为压应力和横向的剪切力，对减少裂纹等有一定作用。但此方法工艺要求高，设备投资巨大，在高速钢锻造中未能真正推广，更未见其应用于喷射成形制备的沉积坯上。

所述高硬高韧可锻喷射成形高速钢的制备方法采用的具体方法是：

先要制取高质量沉积坯，高质量沉积坯的获得的方法具体如下：

(1)采用真空或非真空熔炼，将上述成分之高速钢在感应炉熔化，并加热至高速钢熔点100-200℃；并将其均匀浇注到温度1000℃以上的中间包。

(2)将雾化喷嘴角度由通常的26°左右减少到20°，以保住液固相颗粒有足够的交汇部分，从而沉积坯钢锭中部足够的密度。

(3)通过减速器，以控制拉基板速度，调整其速度与确保液固相致密度的沉积速度相一致，以使不发生由于基板下降速度过快和未匀速而形成的疏松缺陷。

(4)将沉积板加热到500℃以上，减缓沉积钢液的温度下降，以使沉积颗粒到沉积板后，仍具有一定范围内的流动能力。

(5)以压力为0.5-1.5MPa，纯度99％氮气将其从导流嘴流出的溶液雾化成溶滴，并在基板上形成柱状沉积坯，组织尺寸为15-30μm，碳化物尺寸为3-8μm。

上述沉积坯的直接锻造工艺方法，具体如下：

(1)沉积坯于锻造前先于1100-1180℃进行大于10小时退火，以使喷射成形中仍有的少量片状一次碳化物熔断并球化；

(2)将锻造用模具加热至500-800℃，锻造时根据工艺逐次进行锻造，每火锻造比不超过35％；

(3)锻造加热温度为1130-1180℃，开锻温度为1150-1180℃，终锻温度不低于900℃.锻造后晶粒和碳化物尺寸进一步细化到10-15μm和2-5μm；锻造后按传统方式进行正常淬火和回火，淬火温度1180℃，回火温度560℃。

本发明与粉末冶金高速钢相比，具有成本低、工艺流程短等优点，成本仅粉末高速钢的1/5-1/10，工艺流程减少2/3。同时具有接近与同类粉末高速钢的高硬度和红硬性，且韧性高于粉末高速钢的优点。因此，不仅发明了一种新的高性能喷射成形高速钢钢和制备技术，且有可能在此领域带来显著的技术进步。

本发明可采用真空或非真空熔炼，喷射成形后，直接锻造成棒材、板材等。

具体实施方式：

实施例

喷射成形高速钢化学成分(重量％)为：C1.2-1.8％，W6-8％，Mo5-7％，Cr4-6％，V3-5％，Nb1-3％，Si≤0.4，Mn≤0.4，S≤0.03，P≤0.03，其余为Fe。

高硬高韧可锻喷射成形高速钢的制备方法采用的具体方法是：

(5)以压力为0.5-1.5MPa，纯度99％氮气将其从导流嘴流出的溶液雾化成溶滴，并在基板上形成柱状沉积坯，组织尺寸为15-30μm，碳化物尺寸为3-8μm。上述沉积坯的直接锻造工艺方法，具体如下：

在25kg中熔炼2炉本发明钢并制备出致密的喷射沉积锭，同时便于比较，在喷射工艺前，将约5kg钢水直接浇注成传统铸锭。并将喷射成形高速钢与普通钢锭进行同工艺锻造成20mm棒材，以比较其热塑性。实施例钢与对比钢退火后，加工成试样，并经淬火、回火后，进行其力学性能测试。

本发明钢与对比钢比较，其晶粒组织与第二相尺寸较传统方式制备的高速钢均下降一个级，达到与粉末高速钢同样的水平。同时，其硬度和红硬性较传统钢明显提高，达到甚至超过同类粉末高速钢。具体见表1、表2、表3、表4和表5。

表1：发明钢与对比钢的化学成分，重量％

钢种	C	W	Mo	Cr	V	S	P	Nb	Fe
										W6Mo5Cr4V2	1.3	6.1	5.1	4.2	2	＜0.1	＜0.1	-	余
ASP2023	1.1	6.27	4.82	3.9	3.02	＜0.1	＜0.1	-	余
										发明钢	1.3	6.1	5.1	4.2	2	＜0.1	＜0.1	2	余

表2：发明钢与对比钢的组织与碳化物尺寸比较

钢种	组织	碳化物
			W6Mo5Cr4V2	50μm	＞30μm
ASP2023	＜30μm	＜10μm
			发明钢	20μm-30μm	2μm-5μm

表3：发明钢与对比钢在1180℃淬火不同温度回火硬度值

表4：发明钢与对比钢红硬性比较

表5：发明钢与对比钢高温度硬度值

Claims

1. 一种高硬高韧可锻喷射成形高速钢的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

（1）采用真空或非真空熔炼，将该高速钢的具体化学成分重量百分比为：C 1.8%, W 6.1%, Mo 5.1%, Cr 4.2%, V 2%, Nb 2%, Si ≤0.4, Mn≤0.4, S ≤0.03, P ≤0.03，其余为Fe以及钢中所难以避免的微量杂质，在感应炉熔化，并加热至高速钢熔点以上100-200℃；并将其均匀浇注到温度1000℃以上的中间包；

（2）将雾化喷嘴角度由通常的26°减少到20°，以保住液固相颗粒有足够的交汇部分，从而沉积坯钢锭中部足够的密度；

（3）通过减速器，以控制拉基板速度，调整其速度与确保液固相致密度的沉积速度相一致，以使不发生由于基板下降速度过快和未匀速而形成的疏松缺陷；

（4）将沉积板加热到500℃以上，减缓沉积钢液的温度下降，以使沉积颗粒到沉积板后，仍具有一定范围内的流动能力；

（5）以压力为0.5-1.5MPa,纯度99%氮气将其从导流嘴流出的溶液雾化成溶滴，并在基板上形成柱状沉积坯，组织尺寸为15-30μm，碳化物尺寸为3-8μm。

2.如权利要求1所述一种高硬高韧可锻喷射成形高速钢的制备方法，其特征在于沉积坯的直接锻造工艺方法，具体如下：

（1）沉积坯于锻造前先于1100-1180℃进行大于10小时退火，以使喷射成形中仍有的少量片状一次碳化物熔断并球化；

（2）将锻造用模具加热至500-800℃，锻造时根据工艺逐次进行锻造，每火锻造比不超过35%；

（3）锻造加热温度为1130-1180℃，开锻温度为1150-1180℃，终锻温度不低于900℃. 锻造后晶粒和碳化物尺寸进一步细化到10-15μm和2-5μm；锻造后按传统方式进行正常淬火和回火，淬火温度1180℃, 回火温度560℃。