CN104004956B - 高性能喷射钢的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能喷射钢的制造方法，针对喷射钢中内部空隙含有氮气及空隙、疏松、不均匀等众多问题，采用高温等静压处理方法解决。该方法对喷射钢的后续处理工艺包括等温退火，高温等静压处理，锻造成型和完全退火的工艺流程。使用本发明不仅消除了喷射钢锭中含有的氮气空隙缺陷，还能够分解喷射钢水凝固过程中必然生成的大颗粒碳化物，使合金元素在微观上均匀化，生产出高延展性，高韧性，各项性能均匀的模具钢，钢密度达到100%，市场前景广大。
Description
技术领域
本发明涉及一种对喷射成型的喷射钢进行处理的方法，尤其涉及一种高性能喷射钢的制造方法。
背景技术
目前广泛使用的工模具钢，其制造工艺主要为三种，其一是绝大多数采用电炉、钢包精炼、电渣重熔、锻造、完全退火的传统工艺；二是少数高合金高速钢，高性能冷作模具钢以及塑料模具钢采用粉末冶金工艺制成；三是还处于初始开发阶段的喷射成型冶炼工模具钢。
喷射成型技术是一种快速凝固技术，利用雾化钢水液滴在飞行过程中与氮气大比表面积的热交换，钢液滴温度急剧下降，到达沉积表面时已有60%（体积分数）以上转变成为固相，其冷却速度可高达103-104 K/s。钢水在这样高的冷却速度情况下，碳化物来不及析出，成为较大尺寸的碳化物可能性很小，金属材料成分均匀，且钢材内部组织宏观上均匀一致，且含氧量低。与传统的铸锻工艺和粉末冶金工艺相比较，它流程短、工序简化、沉积效率高，不仅是一种先进的制取坯料技术，还正在发展成为直接制造金属零件的制程，已成为世界新材料开发与应用的一个热点。
高温等静压技术是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术，将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的共同作用下，制品得以烧结和致密化，使加工产品的均匀性好、性能优异，同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。高温等静压技术已成为当今许多高性能材料生产中一项实用技术。
利用高温等静压技术优化喷射钢坯的处理工艺有见报道，论文《喷射成形高速钢沉积坯性能分析》（航空材料学报28卷06期2008年12月公开），《喷射成形-热等静压9V高钒钢的组织与性能研究》（粉末冶金工业22卷03期2012年6月公开）均公开了使用热等静压技术对高速钢坯进行后续热处理，以解决喷射钢坯内的局部显微疏松、微观孔隙及碳化物的问题。
但是由于喷射成型过程结晶速度过快，难免产生含有氮气的空隙，而且不可避免地生成一些相对尺寸较小的碳化物，碳化物尺寸根据碳含量，和碳化物合金元素的含量有所不同（3-15μm）。含氮气空隙和碳化物的存在，严重地影响模具钢的质量，使得钢材的延展性、抗崩角和抗开裂性能降低。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种能够消除喷射钢内部间隙中的氮气并同时消除喷射钢内部空隙的高性能喷射钢的制造方法，其有效的提高了喷射钢的质量。
为实现上述目的，本发明的高性能喷射钢的制造方法，在喷射成型的喷射钢的后续处理步骤中，设有消除喷射钢内部空隙中的氮气、并通过对喷射钢加压以焊合喷射钢内部的空隙的高温等静压处理步骤。
通过高温等静压处理步骤，使喷射钢在处理过程中，内部空隙中的氮气与基体中的其它金属元素如Al、Ti发生化学反应，形成相应的氮化物，进而使氮气被钢锭基体吸收，在消除喷射钢锭空隙中氮气的同时，钢锭基体受到等高压作用，使氮气被吸收后留下的空隙、喷射过程形成的微观疏松、裂纹得到有效焊合，从而提高钢坯密度。
作为对上述方式的限定，所述的高温等静压处理步骤在高温等静压炉内进行。
作为对本发明的限定，所述的后续处理步骤包括顺次设置的对喷射钢进行等温退火步骤，锻造成型步骤和完全退火步骤，所述的高温等静压处理步骤位于等温退火步骤和锻造成型步骤之间。
作为对上述方式的限定，所述的高温等静压处理包括以下步骤：
步骤a，对喷射钢初始升温加压，使喷射钢达到预热温度Th和中间压力Ph；
步骤b，将喷射钢于预热温度Th和中间压力Ph下，保持时间t1;
步骤c，对喷射钢进行二次升温加压，使温度达到高温等静压温度Te，压力达到高温等静压压力Pe；
步骤d，使喷射钢于高温等静压温度Te和高温等静压压力Pe下；保持时间t2，以进行高温等静压处理；
步骤e，降温减压。
作为对上述方式的优化，所述步骤a中的初始升温加压的加热速度小于300℃/小时，预热温度Th为650℃至850℃。
作为对上述方式的优化，所述步骤b中的保持时间t1为25-30mm有效厚度/1小时。
作为对上述方式的优化，步骤c中，二次升温加压的加热速度小于400℃/小时，高温等静压温度Te为1220℃至1350℃，高温等静压压力Pe为100MPa至200MPa。
作为对上述方式的限定，所述的中间压力Ph为高温等静压压力Pe的一半。
作为对上述方式的限定，所述的保持时间t2为4至30小时。
作为对上述方式的限定，所述的步骤e中，降温减压时的冷却速度小于300℃/小时，喷射钢降温减压后的钢锭表面温度小于150℃，炉内压力大于50MPa。
喷射钢锭进行高温等静压处理，就是使钢锭在高温高压的状态下保持一定时间。将室温钢锭逐步升温加压，以防止钢锭内部和表面裂纹的产生或者扩大；达到预热温度和中间压力后，保持一定时间，以使得钢锭表面温度与心部温度区域一致；二次升温加压过程为防止钢锭内部和表面裂纹的产生或扩大限定加热速度；达到高温等静压设定的温度压力后，一方面要使钢锭中心热透，充分发挥去除氮气的作用，另一方面有效焊合内部空洞等缺陷；在最后的降温减压步骤要防止热应力所导致的表面裂纹的产生。高温等静压工艺参数的控制是以等静压处理能够顺利进行并有效避免各种应力导致裂纹产生的问题的发生为基准。
综上所述，本发明采用上述方法，利用高温等静压处理技术来解决喷射钢锭中的氮气气孔缺陷。在高温作用下，钢锭中的氮气与基体中的其它金属元素如Al、Ti发生化学反应，形成相应的氮化物，使氮气被钢锭基体吸收，有效消除了喷射钢锭气孔中的氮气；同时钢锭基体在各向受到等高压作用下，使氮气被吸收后留下的空隙、喷射过程形成的微观疏松、裂纹得到有效焊合，通过对高温等静压的参数及工艺步骤的细化，可以实现钢坯密度达到100%。此外，高温等静压处理还可以分解喷射钢中的较大颗粒碳化物，使得合金元素在微观上实现均匀，生产出高端市场需求的可与粉末钢相当的工模具钢材。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本实施例中高温等静压处理工艺曲线；
图2为本实施例中完全退火工艺曲线。
具体实施方式
本发明涉及的高性能喷射钢制造方法，其设计思想在于该方法在喷射成型的喷射钢的后续处理步骤中，设有消除喷射钢内部空隙中的氮气、并通过对喷射钢加压以焊合喷射钢内部的空隙的高温等静压处理步骤，而该高温等静压处理步骤，可以在现有的高温等静压炉内进行。
基于如上设计思想，为了清楚的对本发明进行说明，本实施例中的高性能喷射钢制造方法整体工艺流程包括顺次设置的五个步骤：获取喷射钢、等温退火、高温等静压处理、锻造成型、完全退火。下面对如上五个步骤详细说明如下。
步骤一，获取喷射钢。采用常规的喷射钢生产工艺，将废钢在电弧炉或中频炉内冶炼，然后进行钢包精炼（ESH），喷射成型，得到喷射钢。其中钢包精炼（ESH）过程包括扒渣、造新渣、脱氧、取样、控制上下限内的微量调整合金含量、调整温度六个步骤。喷射成型的目标钢锭重量为3.5吨，直径为550毫米，气孔率小于2%；在喷射温度为过热温度50℃~200℃，喷射速度为50~200kg/分钟条件下完成喷射。
步骤二，等温退火。喷射完成后，将喷射钢锭置于沙坑上空冷。钢锭等温退火后入炉时，表面温度不得低于400℃，但也不要超过500℃，表面温度过低很容易产生由于温差应力作用所产生的表面裂纹；表面温度过高钢锭内部组织转变尚未完成。当表面温度低于100℃，该铸锭需报废。等温退火的温度为750℃，均温后保温8小时以上，出炉埋沙缓冷。
步骤三，高温等静压处理。经等温退火的喷射钢锭，置于高温等静压炉内进行高温等静压处理。如图1所示，高温等静压处理是高温高压同时作用于钢锭基体，其过程包括如下几个步骤：步骤a，对喷射钢初始升温加压，使喷射钢达到预热温度Th和中间压力Ph；步骤b，将喷射钢于预热温度Th和中间压力Ph下，保持时间t1；步骤c，对喷射钢进行二次升温加压，使温度达到高温等静压温度Te，压力达到高温等静压压力Pe；步骤d，使喷射钢于高温等静压温度Te和高温等静压压力Pe下，保持时间t2，以进行高温等静压处理；步骤e，降温减压。
其中，步骤a中，初始升温加压的加热速度小于300℃/小时，达到预热温度Th（Th在650℃~850℃之间），中间压力Ph为1/2等静压压力；步骤b中，保持时间t1为25-30mm有效厚度/1小时，该保持时间以炉温到达预热温度后开始计算；步骤c为第二次升温加压阶段，其加热速度小于400℃/小时，达到高温等静压温度Te和高温等静压压力Pe，其中，高温等静压温度Te在1220℃~1350℃之间，高温等静压压力Pe在100MPa~200MPa之间，相应的，步骤d中的保持时间t2为4~30小时；最后降温减压，冷却速度小于300℃/小时，达到钢锭表面温度小于150℃，炉内压力大于50MPa。
步骤四，锻造成型。经高温等静压处理后的喷射钢锭，需缓冷至始锻温度开始锻造。预热温度为650℃~800℃，重复加热温度，比前次加热温度低30℃，时间以每小时30毫米有效厚度计算确定。最后火次最小锻造比>2.5（截面收缩20%）。
步骤五，完全退火工艺。如图2所示，锻造成型后的喷射钢锭，入炉进行完全退火处理。入炉温度为150℃~250℃，入炉后快速升温，加热速度大于100℃/小时，达到指定温度T1（T1高于对应钢种温度50℃~100℃）后保温一段时间（炉温到达指定温度后按25-30mm有效厚度/1小时），然后开始降温，降温分成三个阶段，第一阶段冷却速度为20℃/小时，温度降至T2（T2高于对应钢种温度40℃~50℃），第二阶段冷却速度为10℃/小时，温度降至T3（T3低于对应钢种温度50℃~80℃），第三阶段炉内缓冷至温度T4（T4在500℃~600℃之间），出炉沙坑空冷。
Claims (8)
1.一种高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：该方法在喷射成型的喷射钢的后续处理步骤中，设有消除喷射钢内部空隙中的氮气、并通过对喷射钢加压以焊合喷射钢内部的空隙的高温等静压处理步骤；所述的后续处理步骤包括顺次设置的对喷射钢进行等温退火步骤、锻造成型步骤和完全退火步骤，所述的高温等静压处理步骤位于等温退火步骤和锻造成型步骤之间；所述的高温等静压处理包括以下步骤：
步骤a，对喷射钢初始升温加压，使喷射钢达到预热温度Th 和中间压力Ph ；
步骤b，将喷射钢于预热温度Th 和中间压力Ph 下，保持时间t1;
步骤c，对喷射钢进行二次升温加压，使温度达到高温等静压温度Te，压力达到高温等静压压力Pe ；
步骤d，使喷射钢于高温等静压温度Te 和高温等静压压力Pe 下；保持时间t2，以进行高温等静压处理；
步骤e，降温减压。
2.根据权利要求1 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述的高温等静压处理步骤在高温等静压炉内进行。
3.根据权利要求1 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述步骤a 中的初始升温加压的加热速度小于300℃ / 小时，预热温度Th 为650℃至850℃。
4.根据权利要求1 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述步骤b 中的保持时间t1 为25-30mm 有效厚度/1 小时。
5.根据权利要求1 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：步骤c 中，二次升温加压的加热速度小于400℃ / 小时，高温等静压温度Te 为1220℃至1350℃，高温等静压压力Pe 为100MPa 至200MPa。
6.根据权利要求5 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述的中间压力Ph为高温等静压压力Pe 的一半。
7.根据权利要求1 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述的保持时间t2为4 至30 小时。
8.根据权利要求1 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述的步骤e 中，降温减压时的冷却速度小于300℃ / 小时，喷射钢降温减压后的钢锭表面温度小于150℃，炉内压力大于50MPa。
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