CN103131930A

CN103131930A - 一种制备粉末高速钢件的方法

Info

Publication number: CN103131930A
Application number: CN2013100726023A
Authority: CN
Inventors: 周瑞; 孙桂芳; 冯爱新; 步小平; 任旭东; 张满奎
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明涉及一种制备粉末高速钢件的方法。该方法是在制备高速钢的过程中的混粉阶段复合添加M3:2母合金粉末和适量的碳粉和硅粉；解决了目前高速钢制备方法烧结工序烧结温度范围窄，烧结温度高引起的炉温控制困难及力学性能不符合要求的问题。本发明制备高速钢的方法工艺科学，操作简便，制备出的高速钢件性能优异。

Description

一种制备粉末高速钢件的方法

技术领域

本发明涉及一种制备粉末高速钢件的方法。

背景技术

应用于机床与工具制造行业的高速钢，采用粉末烧结工艺生产，其工艺简单易行，相对于传统的铸锻加切削加工工艺，材料利用率有很大的提高，可由40-50%提高到95%以上。目前采用原始M3:2高速钢（基本组成0.95－1.05wt％C，0.2－0.4wt％Si，3.75－4.5wt％Cr，4.75－6.5wt％Mo，5.5－6.75wt％W，2.75－3.25wt％V，其余为Fe。）粉末烧结制备高速钢件所需的烧结温度范围窄（10℃），烧结温度高，炉温控制困难。对烧结炉的控制设备要求较高，难度大，导致制备粉末烧结高速钢的成本上升。目前提供的降低高速钢烧结致密化的温度，扩大烧结的温度范围的方法存在降低力学性能的问题。采用添加碳元素的方法可使烧结温度降低到1230℃，温度范围扩大到20℃，但组织的MC型碳化物长大，导致力学性能降低，其弯曲强度由1500～2000MPa降低到1300MPa以下。采用添加磷元素的方法可使烧结温度降低到1170℃，但由于无法热处理，所能获得的硬度和弯曲强度均出现明显下降。

发明内容

本发明是为了解决目前粉末M3:2高速钢件，烧结工艺中烧结温度范围扩大的同时，力学性能下降的问题而提供的一种制备粉末高速钢件的方法。本发明提供的一种制备粉末高速钢件的方法实现了在扩大烧结温度的同时，保持了粉末高速钢间的良好力学性能。本发明采用碳和硅元素联合添加的方法，利用硅元素促进液相形成及高温时置换高速钢合金元素的两种作用，通过适当添加硅粉，实现了在低烧结温度完成致密化的同时，热处理后的硬度和弯曲强度提高。

本发明制备粉末高速钢件按如下步骤进行：将母合金粉末和添加剂粉末置于行星式混料机中在60转/分的转速下混合2小时，然后混合粉末采用模压成型，之后预成型件在1230℃烧结1小时，再经回火热处理后，即得到烧结高速钢件；其中母合金为质量合格的M3:2高速钢粉末；添加剂为碳粉，硅粉和硬脂酸锌粉末，其用量相对母合金总量分别为：碳粉0.45～0.55wt%，硅粉0.4～0.7wt%，硬脂酸锌0.7～0.8wt%。其中碳粉粒度在300目以下,纯度为质量分数≥99.03%；硅粉粒度在500目以下，纯度为质量分数≥99.91%。

预成型件在1230℃烧结后，可直接置于箱式回火炉中回火，回火时间为1小时，回火次数3次，回火冷却方式为空冷，回火温度选择为550℃。冷却时可以0.04MPa的压力充入氮气加速冷却。

预成型件在1230℃烧结后，也可以先经淬火再回火热处理。

进一步地，预成型件在1230℃真空烧结1小时所采用的设备为真空热处理炉，真空烧结工艺分四个阶段：①预成型件置于热处理炉后，抽真空使真空度低于0.01Pa后，以较快的升温速率（平均10℃/min）升温至1100℃；②在1100℃保温30分钟；③升温至固相线以上的烧结温度并保温1小时（真空热处理炉在烧结温度下的允许的温度变化在±10℃之内）；④随炉冷却至室温。

所述的淬火加回火热处理工艺可以为：淬火预热温度为450℃和850℃；淬火加热温度为1200℃，保温时间30分钟；回火温度为550℃，回火次数三次，回火温度持续时间1小时，冷却方式为空冷；淬火预热，加热及回火均采用箱式热处理炉。

本发明具有以下优点：

1、工艺易于控制：添加碳粉和硅粉的高速钢的烧结温度范围由10℃提高到20℃；同时最佳烧结温度由1275℃降低到1230℃；

2、制备过程保持了高速钢优异的性能：具有高硬度（64～66HRC）、高强度（1500～2000MPa）、良好的耐磨性，弯曲强度明显提高，由1.2～1.3GPa提高到1.5～1.6GPa；

综上所述，本发明是通过传统的真空热处理设备来制备粉末烧结高速钢件的，制备过程简单，而适量碳粉和硅粉的混合添加又使高速钢的烧结温度范围扩大，烧结温度降低，工艺易于控制；同时，制备出的烧结高速钢件的性能完全可满足目前耐磨结构件对烧结高速钢件要求。因而与未加入硅粉烧结制备的高速钢件相比，本发明方法可在较低的烧结温度，以易于控制的工艺制备出具有优异综合性能的烧结高速钢产品。

附图说明

图1为水雾化高速钢粉末烧结工艺曲线；

图2为烧结态高速钢的物相XRD分析；

图3为烧结高速钢组织的扫描电镜二次电子形貌；

图4为硅添加量对硬度和抗弯强度的影响。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的阐述：

实施例一：本实施方式制备粉末高速钢件按如下步骤进行：

（1）将母合金粉末和添加剂置于行星式混料机中在60转/分的转速下混合2小时。其中母合金为质量合格的M3:2高速钢粉末；添加剂为碳粉，硅粉和硬脂酸锌粉末，以质量百分比计，其相对母合金的含量分别为：碳粉0.45～0.55%，硅粉0.4～0.7%，硬脂酸锌0.7～0.8%。

（2）混合后的粉末使用压力机模压预成型，压强为800MPa。

（3）压制成型后的高速钢预成型件在具有真空设备的热处理炉内1230℃真空烧结1小时。结合图1说明本实施方式中的真空烧结：真空烧结工艺分四个阶段：①预成型件置于热处理炉后，抽真空使真空度低于0.01Pa后，以较快的升温速率（平均10℃/min）升温至1100℃；②在1100℃保温30分钟以促进碳粉在高速钢中的扩散；③升温至固相线以上的烧结温度并保温1小时（真空热处理炉在烧结温度下的允许的温度变化在±10℃之内）；④随炉冷却至室温。

（4）烧结后高速钢件采用淬火加回火热处理，即得到粉末烧结高速钢件。高速钢淬火预热温度为450℃和850℃；淬火加热温度为1200℃，保温时间30分钟；回火温度为550℃，回火次数三次，回火温度持续时间1小时，冷却方式为空冷。淬火预热，加热及回火均采用箱式热处理炉。

实施例二：本实施例与实施例一的不同点为：碳粉和硅粉添加量均为母合金总量的0.5wt%。其它与实施例一相同。

在碳粉和硅粉添加量均为0.5wt%时，烧结后制备出的M3:2高速钢件，经致密性测试得到8.16g/cm³的密度，这说明添加了碳粉和硅粉的高速钢在1230℃进行烧结就可以达到比原始成分在最佳烧结温度烧结更高的烧结密度（原始成分烧结密度不高于8.15g/cm³）。同时高速钢烧结态的物相XRD分析及扫描电镜组织结果表明（图2，图3），出现马氏体奥氏体加碳化物的组织，为典型的烧结态高速钢组织。以上结果说明本实施方式制备的烧结高速钢材料保持了高速钢的组织特征。同目前仅添加碳控制高速钢烧结温度的方法相比，其弯曲强度明显提高，由1.2～1.3GPa提高到1.5～1.6GPa，同时保持了较高的硬度。在硅添加量为0.5wt%时，获得了最佳的硬度和弯曲强度（图4）。

实施例三：本实施例与实施例一的不同点为：高速钢烧结后直接置于箱式回火炉中回火，省略淬火热处理工序；回火时间为1小时，回火次数3次，空冷，回火温度选择为550℃。其它与实施例一相同。

实施例四：本实施例与实施例三的不同点为：随炉冷却时以0.04MPa的压力充入氮气加速冷却。其它与实施例三相同。

Claims

1.一种制备粉末高速钢件的方法，其特征在于按如下步骤进行：将母合金粉末和添加剂置于行星式混料机中在60转/分的转速下混合2小时，然后混合粉末采用模压预成型，所用压强为800MPa，之后预成型件在1230℃烧结1小时，再经回火热处理即得到烧结高速钢件；其中母合金为质量合格的M3:2高速钢粉末，添加剂为碳粉，硅粉和硬脂酸锌粉末，其用量相对母合金总量分别为：碳粉0.45~0.55 wt%，硅粉0.4~0.7 wt%，硬脂酸锌0.7~0.8 wt%。

2.根据权利要求1所述的一种制备粉末高速钢件的方法，其特征在于预成型件在1230℃烧结后，直接置于箱式回火炉中回火，回火时间为1小时，回火次数3次，回火冷却方式为空冷，回火温度选择为550℃。

3.根据权利要求2所述的一种制备粉末高速钢件的方法，其特征在于冷却时以0.04 MPa的压力充入氮气加速冷却。

4. 根据权利要求1所述的一种制备粉末高速钢件的方法，其特征在于：预成型件在1230℃真空烧结1小时所采用的设备为真空热处理炉，真空烧结工艺分四个阶段：①预成型件置于热处理炉后，抽真空使真空度低于0.01Pa后，以平均10 ℃/min的升温速率升温至1100 ℃；②在1100 ℃保温30分钟；③升温至固相线以上的烧结温度并保温1小时；④随炉冷却至室温。

5.根据权利要求1所述的一种制备粉末高速钢件的方法，其特征在于：预成型件在1230℃烧结后，先经淬火再回火热处理。

6.根据权利要求5所述的一种制备粉末高速钢件的方法，其特征在于：淬火加回火热处理工艺为：淬火预热温度为450℃和850℃；淬火加热温度为1200℃，保温时间30分钟；回火温度为550℃，回火次数三次，回火温度持续时间1小时，冷却方式为空冷；淬火预热，加热及回火均采用箱式热处理炉。