CN105925918B - 一种氧化铝‑碳化硅晶须增强冷作模具钢材料的制备方法 - Google Patents

一种氧化铝‑碳化硅晶须增强冷作模具钢材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于模具钢材料领域，特别是一种氧化铝‑碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料的制备方法。通过氮气、二氧化碳将氧化铝‑碳化硅晶须反应前驱体粉末吹入真空熔炼炉中的WCrMoV熔体中，在吹入的过程中引发自蔓延燃烧合成反应，得到纳米氧化铝‑碳化硅晶须、以及少量的碳和硅，再经过机械化混合搅拌、变质处理、精炼、浇注，即获得氧化铝‑碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料。增强纳米晶须直径尺寸细小，分布均匀，组织稳定性高，表面无污染，与在WCrMoV基体结合良好。材料的室温力学性能和耐磨性能显著提高，尤其适合于冷作模具合金钢、钻头、刀具等方面的应用。

Description

一种氧化铝-碳化硅晶须增强冷作模具钢材料的制备方法
技术领域
本发明属于模具钢材料领域，特别是一种氧化铝-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料的制备方法。
背景技术
锻造工艺是工业生产中重要的环节，目前，锻造模具的使用寿命占整个锻造产品成本的比重为20%，冷作模具钢在冷锻、冷挤压、镦挤、拉拔等模具中使用量非常大，冷作模具钢要求高的硬度和耐磨性，其中硬度高（HRC≥58-64），才能保证模具在被加工材料产生变形时，模具本身不产生变形和开裂，高的耐磨性是模具长期使用不走形。高耐磨性是以高硬度为基础的。同时要求有足够的强度与韧性，高的强度会提高模具的变形抗力，高的韧性防止冲击载荷下的脆断。还要求有良好的疲劳性能和良好的抗咬合能力。冷作模具钢用钢主要添加如下Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe金属元素，针对硬度要求高，含碳化物增加会增加硬度，但是一般含碳量的增加，钢的硬度、强度和耐磨性提高，塑性、韧性变差。目前冷锻技术发展非常迅速，但是冷锻成形比热锻需要的载荷力更大，开发高强度高耐磨冷作模具钢十分必要。目前世界上主要开了W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等高速钢用于冷锻成形，但是存在模具使用寿命短的问题。因此，开发具有高强度、高韧性、高硬度、高耐磨性和良好的疲劳性能的冷作模具钢具有重要的应用前景。
基于上述目的，采用在WCrMoV基体合金钢中添加氧化铝-碳化硅纳米晶须来增强W18Cr4V材料的硬度、耐磨性、强度、强韧性和疲劳性的方法。本发明WCrMoV冷作模具钢材料基体材料的化学成分及质量分数为： Mn<0.4，W：17.5-19,Mo<3.5,Cr：3.8-4.4,V：1.0-1.4，剩余为Fe；目前我国现有的冷作模具钢在专利100999802A中，经研究、分析表明添加了Nb等稀土金属，有更高的耐磨性和强韧性；高的硬度和高的回火稳定性，提高了使用寿命，可部分替代M2高速钢模具，但是该系列冷作模具材料易于过热而崩刃，因此，为了进一步提高模具使用寿命，而通过在WCrMoV冷作模具钢基体中添加氧化铝-碳化硅纳米晶须来增强合金材料的硬度、耐磨性、强度、强韧性和疲劳性的方法，可以显著提高冷作模具钢的强度、韧性、硬度、耐磨性和良疲劳性能，具有重要的工业应用价值和广泛的应用领域。
发明内容
本发明专利的目的是：在于克服上述现有技术不足，提供一种加工工艺稳定、生产成本低廉、无污染排放、可在常规熔炼条件下组织生产的氧化铝-碳化硅纳米晶须增强WCrMoV冷作模具钢材料的制备方法，较传统的WCrMoV冷作模具钢的强度、韧性、硬度和疲劳性能大幅提升。
本发明专利的技术方案是：本发明是一种氧化铝-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料的制备方法，通过氮气、二氧化碳将氧化铝-碳化硅晶须反应前驱体粉末吹入真空熔炼炉中的WCrMoV冷作模具钢熔体中，在吹入的过程中引发自蔓延燃烧合成反应，得到纳米氧化铝-碳化硅晶须、以及少量的碳和硅，再经过机械化混合搅拌、变质处理、精炼、浇注，即获得氧化硅-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料。
将聚四氯乙烯、铁粉、氧化铝粉、硅粉和炭黑充分混合形成反应剂，通过机械化球磨48小时获得混合浆体，将混合浆体倒入石墨罐并放入真空炉中，以100~160℃的烘干温度将混合浆体烘干，得到干燥的混合物料，然后随炉冷却然后研磨成粉体，通过氮气、二氧化碳将上述粉末吹入真空熔炼炉中的WCrMoV冷作模具钢熔体中，在吹入的过程中引发自蔓延燃烧合成反应，得到纳米氧化铝-碳化硅晶须、以及少量的碳和硅，再经过机械化混合搅拌、变质处理、精炼、浇注，即获得氧化硅-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料。
氧化铝-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料的制备方法，由于反应生成碳和硅元素，在WCrMoV基体材料熔体含有质量百分比为0-0.3 的C元素和0-0.5的Si元素，WCrMoV熔体的温度1860-2000℃。反应生成增强纳米晶须的时间为10-60分钟，纳米晶须含量要求越高反应生成增强纳米晶须的时间越长。
在铁和四氯乙烯作为催化剂下，在吹入的过程中引发自蔓延燃烧合成反应，生产SiC和Al2O3纳米晶须：
3CO2+4Al=2Al2O3+3[C]
CO2+Si=SiC+2[O]
C+Si=SiC
上述产物最后落入熔体中，而且两种生成物的反应相互之间也有分解及进一步的反应,是一个互相促进和分解的平衡过程，从而达到最终的平衡反应速度。增强纳米晶须的几何尺寸直径是20-50nm的晶须。通过对反应时间、反应温度、混合气体的组成等进行相关调节，可以控制反应生成增强纳米晶须的组成（SiC和Al2O3的比例）、纳米晶须尺寸、长度、数量及分布，从而满足不同部位的使用要求。
本发明的基体使用合金的化学成分为：Mn<0.4，W：17.5-19,Mo<3.5,Cr：3.8-4.4,V：1.0-1.4，剩余为Fe，可以通过上述成分要求合金熔炼进行熔炼提供。WCrMoV基体材料在真空熔炼炉内熔炼，最终可获得强度、韧性和硬度大幅提升的WCrMoV合金钢。
与现有冷作模具钢材料相比，氧化铝-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料的制备方法具有如下优点：
（1）耐磨性、韧性、强度显著提高，间隔2小时浇注试样的力学性能差小于6%，这将有利于大批量、小尺寸合金钢的稳定生产。增强纳米晶须直径尺寸细小，分布均匀，组织稳定性高，表面无污染，与在WCrMoV基体结合良好。材料的室温力学性能和耐磨性能显著提高，尤其适合于冷作模具合金钢、钻头、刀具等方面的应用。
（2）合金组织稳定性好，不会分解有毒气体或溶解物，本发明因增强纳米晶须是在真空熔炼炉中自蔓延生成后落入WCrMoV熔体中继续进行反应，解决了外加纳米晶须与基体合金润湿性差、易发生界面反应以及组织稳定性差等问题。因生成的纳米晶须直径尺寸小，因比重差导致的上浮/下沉速度小，不易偏析，生产的工艺稳定性高。
具体实施方式
下面给出本发明的最佳实施例：本发明基体材料WCrMoV合金的化学成分及质量分数为：Mn：0.3，W：18.5,Mo：2.5,Cr：4.0,V：1.0，剩余为Fe。待其融化并过热到1900℃，扒渣，变质、精炼、浇注铸型；将合金熔体加热到1950℃，用混合气体（二氧化碳65%，氮气35%）将混合粉末（聚四氯乙烯、铁粉催化剂10%+氧化铝粉、硅粉和炭黑90%）吹入真空熔炼炉中，自蔓延反应后自然落入合金熔体中，气体压力0.1Mpa，气体流量0.05 m3/Min，时间10分钟，混合粉末加入量为合金熔体重量的5%，再进行变质处理和精炼处理，浇注铸型，再保温，并分别于20分、40分、80分浇注铸型。然后进行T6处理，并进行性能测试。实验结果表明氧化铝-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢抗拉强度为979.2Mpa，延伸率为3.01%，腐蚀性能：失重比例为0.01237%，成本为85元/Kg。随着保温时间的延长性能有所下降，但即使保温80分钟后，其性能差也小于5%。如保温80分钟后室温抗拉强度950.1 Mpa，延伸率为3.17%，腐蚀性能：失重比例为0.01238%，成本为86元/Kg。由此可见，同时本发明氧化铝-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢的价格虽然略高于传统冷作模具钢材料，但是本发明材料的抗拉强度，耐磨性、尤其硬度和组织稳定性都显著提高，而且生产工艺稳定性好，便于大批量生产。

Claims (3)

1.一种氧化铝-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料的制备方法，其特征是通过氮气、二氧化碳将氧化铝-碳化硅晶须反应前驱体粉末吹入真空熔炼炉中的WCrMoV合金熔体中，在吹入的过程中引发自蔓延燃烧合成反应，得到纳米氧化铝-碳化硅晶须、以及少量的碳和硅，再经过机械化混合搅拌、变质处理、精炼、浇注，即获得氧化铝-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料；
（a）冷作模具钢基体材料的化学成分及质量分数为：Mn<0.4，W：17.5-19， Mo<3.5， Cr：3.8-4.4， V：1.0-1.4，剩余为Fe；
（b）聚四氯乙烯、铁粉、氧化铝粉、硅粉和炭黑充分混合形成反应剂，通过机械化球磨48小时获得混合浆体，将混合浆体倒入石墨罐并放入真空炉中，以100~160℃的烘干温度将混合浆体烘干，得到干燥的混合物料，然后随炉冷却然后研磨成粉体。
2.根据权利要求1所述的一种氧化铝-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料的制备方法，其特征是在WCrMoV基体材料熔体含有质量百分比为0-0.3 的C元素和0-0.5的Si元素，WCrMoV熔体的温度1860-2000℃。
3.根据权利要求1所述的一种氧化铝-碳化硅纳米晶须增强冷作模具钢材料的制备方法，其特征是：反应生成增强颗粒的时间为10-60分钟，晶须含量要求越高反应生成增强晶须的时间越长。
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