CN106702281A - 一种金属注塑成型烧结制程用高速工具钢 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，包括：第一粉体和第二粉体，所述第一粉体为母合金相金属粉体，所述第二粉体为超细金属粉体或者奈米金属粉体。本发明提供的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢通过添加适当比例的超细金属粉体或者奈米金属粉体，从而降低了高速工具钢材料的烧结温度，解决了高速工具钢的烧结窗狭窄的问题，提高了产品密度、增加了机械性能，适当比例的不规则金属粉体在各组分之间起到了架桥的作用，避免了在烧结过程中发生变形。

Description

一种金属注塑成型烧结制程用高速工具钢
技术领域
本发明涉及高速工具钢技术领域，更具体地说，本发明涉及一种金属注塑成型烧结制程用高速工具钢。
背景技术
工具钢因其高硬度特性而大量用于模具、治具、刀具及需高速切削金属材料，例如：SKH51(M2)、SKH10(T15)、SKD61(H13)、SKD11(D2)…等。传统的制造方式是先以熔炼法作出铸锭再经过锻造、挤制等塑性加工制成以制作成品，但因熔炼制程容易产生碳化物的偏析及晶粒粗化，同时因加工因素此碳化物或不纯物或中间相常具有方向性，所以其机械性质并不理想。另一制程是以传统粉末冶金的干压烧结或金属注塑制程所得到的产品因无熔融过程所以产品不会产生偏析及方向性，若有偏析也只止于单颗粉体内，因此在韧性、切削性及耐磨耗等性能均优于铸造制程。此类合金的组成成份特殊所以其烧结温度范围(烧结窗)非常狭窄，也就是说要同时达到下列特性要求是有相当难度：(1)密度高；(2)变形少；(3)细晶化；(4)晶界不产生连续碳化物。低温烧结虽可以降低产品变形、晶粒粗化及晶界网状碳化物的生成，但产品的密度低机械性能差无法发挥材料特性。而高温烧结产品密度虽然可以提升，但烧结温度过高，产品将伴随着变形、晶粒粗化及晶界网状碳化物的生成，同样也会降低此类材料的机械性能。
目前习知的改善方法是运用超固相线及液相线烧结技术处理及使用高均温性的烧结炉，但其改善效果仍有局限。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供了一种金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，解决了高速工具钢的烧结窗狭窄问题，而降低烧结温度的主要方式是通过配制超细金属粉体或者奈米金属粉体及母合金相金属粉体的方式，从而降低了烧结温度，提高了高速工具钢的机械性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，包括第一粉体和第二粉体，所述第一粉体为母合金相金属粉体，所述第二粉体为超细金属粉体或者奈米金属粉体。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述高速工具钢还包括形状不规则的金属粉体。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述第一粉体和所述第二粉体内均含有铁元素，且所述第一粉体内的铁元素和所述第二粉体内的铁元素之和在高速工具钢内的重量百分比为80.4～85.5％；所述第一粉体剩余化学成分在高速工具钢内的重量百分比为：Cr 3.75～4.5％，Mo 4.5～5.5％，C 0.78～0.88％，V 1.75～2.2％，Mn0.15～0.4％，Si 0.2～0.45％，W 5.5～6.75％。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述第一粉体和所述第二粉体内均含有铁元素，且所述第一粉体内的铁元素和所述第二粉体内的铁元素之和在高速工具钢内的重量百分比为79.4～82.0％；所述第一粉体剩余化学成分在高速工具钢内的重量百分比为：Cr 3.75～5.0％，Mo 1％，C 1.5～1.6％，V 4.5～5.25％，Mn 0.15～0.4％，Si 0.15～0.4％，W 11.75～13％，Co 4.75～5.25％。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述第一粉体和所述第二粉体内均含有铁元素，且所述第一粉体内的铁元素和所述第二粉体内的铁元素之和在高速工具钢内的重量百分比为90.3～93.8％；所述第一粉体剩余化学成分在高速工具钢内的重量百分比为：Cr 4.75～5.5％，Mo 1.1～1.75％，C 0.32～0.45％，V 0.8～1.2％，Mn0.2～0.5％，Si 0.8～1.2％。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述第一粉体内和所述第二粉体内均含有铁元素，且所述第一粉体内的铁元素和所述第二粉体内的铁元素之和在高速工具钢内的重量百分比为84.2～86.9％；所述第一粉体剩余化学成分在高速工具钢内的重量百分比为：Cr 11～13％，Mo 0.7～1.2％，C 1.4～1.6％。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述第二粉体为超细羰基铁粉、奈米羰基铁粉、超细纯铁粉或者奈米纯铁粉。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述形状不规则的金属粉体包括工具钢粉体、母合金粉体或者纯铁粉。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述第一粉体与所述第二粉体的重量之比为1:1～3。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述第一粉体内的铁元素与所述第二粉体内的铁元素的重量比为1:1。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述第二粉体与所述形状不规则的金属粉体的重量之比为7:3。
优选的是，所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中，所述形状不规则的金属粉体在高速工具钢内的重量百分比为5～10％。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢利用粉末烧结理论技术之预合金理论、粉末表面能理论、粉体架桥理论、扩散理论、低温活化烧结理论等机制，以添加适当比例粉体方式来解决高速工具钢的烧结窗狭窄问题，进而提升其机械性能。
2、本发明所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢通过添加部分超细金属粉体或奈米金属粉体来降低工具钢材料的烧结温度提高产品密度，增加机械性能。
3、本发明所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢通过添加部分不规则金属粉体来增加金属粉体间的架桥作用，降低高温烧结变形。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例中所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中各组分的位置关系图；
图2为本发明其中一个实施例中所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中各组分的位置关系图；
图3为本发明其中一个实施例中所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢中各组分的位置关系图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1为本发明各粉体组合的基本模式示意图。100为配制的母合金相金属粉体，其成份如表一所示。其粒径分布D10 2～5um；D50 9～12um；D90 20～40um。200为添加超细金属粉体或者奈米金属粉体，其粒径分布D10 0.1～2um；D50 5～7um；D90 9～11um。将100与200依8:2、5:5、2:8比例配制其D90分别是20um、16um、13um，粉体间的分布如图2所示，随着超细金属粉体或奈米金属粉体的添加量的增加其与母合金相金属粉体接触的机率亦增加。超细金属粉体或奈米金属粉体因粉体颗粒细小表面能高产生液相的温度低，可以有效降低材料的烧结温度增加材料的烧结致密性。在相同的烧结缩率下随着超细金属粉体或奈米金属粉体含量的增加其流动性递减。
图3为本发明粉体组合的另一基本模式示意图。100为配制的母合金相金属粉体，其成份如表一所示，其粒径分布D10 2～5um；D50 9～12um；D90 20～40um。200为添加超细金属粉体或奈米金属粉体，其粒径分布D10 0.1～2um；D50 5～7um；D90 9～11um。300为不规则金属粉体。添加1～30％不规则金属粉体的主要目的是增加粉体的架桥作用，避免产品在脱脂后的烧结制程产品结构因重力问题造成变形，随着不规则粉体添加量的增加其喂料的流动性越差，但架桥效果越好。
实施例1
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为81.34％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:1，母合金相金属粉体各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C W V Mn Si
40.67 4.125 5 0.83 6.125 1.975 0.275 0.325
生成的高速工具钢为完全的SKH51工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例2
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为81.34％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:2，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C W V Mn Si
27.15 4.125 5 0.83 6.125 1.975 0.275 0.325
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的高速工具钢为完全的SKH51工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例3
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为81.34％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:3，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C W V Mn Si
20.34 4.125 5 0.83 6.125 1.975 0.275 0.325
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的高速工具钢为完全的SKH51工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例4
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为80.7％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:1，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C W V Mn Si Co
35.1 4.375 1 1.55 12.375 4.875 0.275 0.275 5
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的高速工具钢为完全的SKH10工具钢材质，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例5
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为80.7％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:2，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C W V Mn Si Co
23.4 4.375 1 1.55 12.375 4.875 0.275 0.275 5
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的高速工具钢为完全的SKH10工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例6
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为80.7％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:3，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C W V Mn Si Co
17.56 4.375 1 1.55 12.375 4.875 0.275 0.275 5
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的工具钢为完全的SKH10工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例7
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为90.72％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:1，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C V Mn Si
45.36 5.125 1.425 0.385 1 0.35 1
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的工具钢为完全的SKD61工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例8
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为90.72％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:2，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C Mn Si
30.24 5.125 1.425 0.385 0.35 1
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的工具钢为完全的SKD61工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例9
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为90.72％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:3，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C Mn Si
22.68 5.125 1.425 0.385 0.35 1
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的工具钢为完全的SKD61工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例10
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为85.56％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:1，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C
42.78 12 0.95 1.5
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的工具钢为完全的SKD11工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例11
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为85.56％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:2，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C
25.52 12 0.95 1.5
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的工具钢为完全的SKD11工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
实施例12
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体内的铁元素的重量之和在高速工具钢内的重量百分比为之比为85.56％，母合金相金属粉体内的铁元素在高速工具钢内的重量与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体在高速工具钢内的重量之比为1:3，母合金相金属粉体的各化学成分在高速工具钢内的重量百分比如下所示：
Fe Cr Mo C
21.39 12 0.95 1.5
母合金相金属粉体内的铁元素与超细金属铁粉体或者奈米金属铁粉体生成的工具钢为完全的SKD11工具钢材质相，烧结温度可以降低，机械性能可以提升，避免传统高温烧结的缺点。
为达成低温烧结目的可添加超细金属粉体或奈米级粉体此粉体可以是羰基铁粉、羰基镍粉、羰基钴粉或是化学方式制作的纯铁粉、纯镍粉或钴粉。
为达成粉体间架桥作用防止产品高温烧结变形目的所添加之不规则金属粉体可以是水喷粉亦或是水气联合雾化粉。
表一高速工具钢的各成分的重量百分比(wt％)
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。

Claims (12)

1.一种金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，包括第一粉体和第二粉体，所述第一粉体为母合金相金属粉体，所述第二粉体为超细金属粉体或者奈米金属粉体。
2.根据权利要求1所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述高速工具钢还包括形状不规则的金属粉体。
3.根据权利要求1所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述第一粉体和所述第二粉体内均含有铁元素，且所述第一粉体内的铁元素和所述第二粉体内的铁元素之和在高速工具钢内的重量百分比为80.4～85.5％；所述第一粉体剩余化学成分在高速工具钢内的重量百分比为：Cr 3.75～4.5％，Mo 4.5～5.5％，C 0.78～0.88％，V 1.75～2.2％，Mn 0.15～0.4％，Si 0.2～0.45％，W 5.5～6.75％。
4.根据权利要求1所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述第一粉体和所述第二粉体内均含有铁元素，且所述第一粉体内的铁元素和所述第二粉体内的铁元素之和在高速工具钢内的重量百分比为79.4～82.0％；所述第一粉体剩余化学成分在高速工具钢内的重量百分比为：Cr 3.75～5.0％，Mo 1％，C 1.5～1.6％，V 4.5～5.25％，Mn0.15～0.4％，Si 0.15～0.4％，W 11.75～13％，Co 4.75～5.25％。
5.根据权利要求1所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述第一粉体和所述第二粉体内均含有铁元素，且所述第一粉体内的铁元素和所述第二粉体内的铁元素之和在高速工具钢内的重量百分比为90.3～93.8％；所述第一粉体剩余化学成分在高速工具钢内的重量百分比为：Cr 4.75～5.5％，Mo 1.1～1.75％，C 0.32～0.45％，V 0.8～1.2％，Mn 0.2～0.5％，Si 0.8～1.2％。
6.根据权利要求1所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述第一粉体和所述第二粉体内均含有铁元素，且所述第一粉体内的铁元素和所述第二粉体内的铁元素之和在高速工具钢内的重量百分比为84.2～86.9％；所述第一粉体剩余化学成分在高速工具钢内的重量百分比为：Cr 11～13％，Mo 0.7～1.2％，C 1.4～1.6％。
7.根据权利要求3～6任一项所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述第二粉体为超细羰基铁粉、奈米羰基铁粉、超细纯铁粉或者奈米纯铁粉。
8.根据权利要求2所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述形状不规则的金属粉体包括工具钢粉体、母合金粉体或者纯铁粉。
9.根据权利要求1所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述第一粉体与所述第二粉体的重量之比为1:1～3。
10.根据权利要求3～6任一项所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述第一粉体内的铁元素与所述第二粉体内的铁元素的重量比为1:1。
11.根据权利要求2所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述第二粉体与所述形状不规则的金属粉体的重量之比为7:3。
12.根据权利要求2所述的金属注塑成型烧结制程用高速工具钢，其特征在于，所述形状不规则的金属粉体在高速工具钢内的重量百分比为5～10％。
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