CN107502831A - 一种高速钢粉体材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粉末冶金高速钢技术领域，尤其涉及一种高速钢粉体材料，包括以下重量百分比的金属原料，C：0.8～1.0％；Cr：3.8～4.2％；Mo：4.5～5.2％；W：6～6.5％；V：1.6～2.2％；Co：6～8％；Hf：0.1‑1％；余量为Fe。本发明还涉及一种上述高速钢分体材料的制备方法，本制备方法采用快速升温，由150kg/炉45分钟，降至30分钟即达1580℃，缩短了炉内吸气时间，减少了炉内氧化；采用3‑3制脱氧剂即Al‑Si‑Mn联合脱氧并镇静处理，试验证明脱氧效果更佳；钢液进入浇包前，向包内投放0.5％的氟铝酸钠、氟化钙，促进粉体细化的同时产生挥发物防止包内氧化；严格控制雾化温度1540℃±15℃，即保证雾化顺畅的条件尽可能低，有利于改善成球率，提高了粉末颗粒冷却速率。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金高速钢技术领域，尤其涉及一种高速钢粉体材料，还涉及一种上述高速钢分体材料的制备方法。
背景技术
高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢，俗称白钢。高速钢的工艺性能好，强度和韧性配合好，因此主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。
高速钢的制造方法有两种：一种为传统的冶炼浇铸钢锭方法制造，另一种则为利用粉末冶金方法制造。传统冶炼制造通常又分为二次精炼(EAF+LF+VD)或电渣重熔(ESR)制程。上述方法中由于熔炼的钢水缓慢冷却，会造成合金成分的不均匀偏析和合金碳化物的生长粗大，而影响到高速钢的性能。图1为传统浇注高速钢的金相照片，从图中可以清晰看到分布不均匀的粗大一次碳化物。
而采用高速钢粉体材料利用热等静压工艺(HIP)制成新型粉末冶金高速钢产品，不仅解决了传统冶金工艺中存在的碳化物组织质量问题，而且开辟了一条一般铸锻工艺难于或不可能生产的超高合金含量的高速钢的新途径，生产出组织均匀无方向性钢种(如图2所示)。从图2中可以看到粉末冶金高速钢制品中的一次碳化物明显细化，同时粉末均匀，偏析问题基本消失，从性能测试上新型粉末冶金高速钢在强度与韧性上全面超越传统浇注高速钢，受到业界广泛关注。
然而，由于粉末材料的品质对粉末冶金高速钢影响极大，没有高品质的粉体材料，高品质粉末冶金高速钢制品便无从谈起，传统的水雾化粉末，由于形状不均(非球形)、含氧量高、松装密度低等原因，无法满足粉末冶金高速钢的生产要求。
为解决现有技术中存在的问题，我们提出一种成球率高、含氧量低、松装密度大的高速钢粉体材料及其制备方法，以便适应粉末冶金高速钢生产的需要。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种成球率高、含氧量低、松装密度大、能够满足粉末冶金高速钢生产需求的高速钢粉体材料。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种高速钢粉体材料包括以下重量百分比的金属原料，
C：0.8～1.0％；
Cr：3.8～4.2％；
Mo：4.5～5.2％；
W：6～6.5％；
V：1.6～2.2％；
Co：6～8％；
Hf：0.1-1％；
余量为Fe。
本发明的优点和积极效果是：
1、Hf可以起到净化合金、固溶强化的效果。
2、Hf通过抑制高温晶粒长大，来提高高温(700-800℃)持久强度，与不含Hf的合金粉末相比高温持久强度提高10％以上。
3、Cr、Co,、Mo、Hf高温时析出极为分散的富铪(Hf)型碳化物，如(Cr Mo Hf)23C6，(Co,Mo,Hf)2C6等，可以提高高温抗裂纹能力，提高高温性能。
4、Hf作为碳化物形成元素，可以改变MC型碳化物在晶体内的分布形态，抑制网状碳化物形成，同时降低碳化物偏析。
本发明的另一目的是提供一种上述高速钢分体材料的制备方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种上述高速钢分体材料的制备方法，包括以下步骤：(1)原料的筛选与称量：称取上述重量百分比的金属原料，选用的金属原料表面干燥、洁净，金属原料中S和P的总体含量低于0.001％；(2)烘干焙烧：将称取的金属原料在550-650℃进行烘干焙烧，去除吸附水与结晶水；(3)投料压实：将烘干焙烧后的金属原料混合均匀，投入到感应电炉内，压实、盖上炉盖；(4)快速升温：150kg/炉的金属原料在30分钟内加热到1580℃熔炼得到钢液；(5)沉淀脱氧：上述得到的混合钢液采用重量百分比为0.5-1％的Al-Si-Mn脱氧剂联合沉淀脱氧、镇静处理3-6分钟；(6)终脱氧：镇静后随即快速升温至1580℃，并且加入0.05-0.1％混合稀土元素进行终脱氧；(7)雾化浇包：在浇包中投放总的重量百分比为0.3％-0.6％的氟铝酸钠和氟化钙的混合物，倾斜感应炉，将钢液倒入浇包内，雾化温度控制在1540℃±15℃；(8)高压气体雾化：采用高压氩气或高压氮气对浇包内的金属液流喷射使之雾化破碎，高压气体与钢液接触的初速度不小于1000m/s，气体初温在-20℃～+5℃之间；(9)干燥筛分：将制得的毛粉产品进行干燥、筛分，制成成品粉。
本发明的优点和积极效果是：
1、快速升温，由150kg/炉45分钟，降至30分钟即达1580℃，缩短了炉内吸气时间，减少了炉内氧化。
2、采用3-3制脱氧剂即Al-Si-Mn联合脱氧并镇静处理，试验证明脱氧效果更佳。
3、钢液进入浇包前，向包内投放0.5％的氟铝酸钠、氟化钙，促进粉体细化的同时产生挥发物防止包内氧化。
4、严格控制雾化温度1540℃±15℃，即保证雾化顺畅的条件尽可能低，有利于改善成球率，提高了粉末颗粒冷却速率。
优选地：所述步骤(8)中高压氩气或高压氮气的纯度大于99.9999％。
优选地：步骤(5)所述的Al-Si-Mn脱氧剂中Al：Si：Mn＝1：1：1。
附图说明
图1是传统浇注高速钢金相照片(x500)；
图2是粉末冶金高速钢金相照片(x500)；
图3是本发明实施例1中1号粉末的显微镜照片(x50)；
图4是本发明实施例1中2号粉末的显微镜照片(x50)；
图5是本发明实施例1中3号粉末的显微镜照片(x50)；
图6是本发明实施例2中1号粉末的显微镜照片(x50)；
图7是本发明实施例2中2号粉末的显微镜照片(x50)；
图8是本发明实施例2中3号粉末的显微镜照片(x50)。
具体实施方式
为制造适合粉末冶金高速钢产业需要的高速钢粉体，需要经过合金设计、合金熔炼、雾化制粉3个基本步骤。
一、合金设计
根据粉末高速钢材料对于高硬度、高耐磨性、高红硬性的要求，本发明提出此种以铁元素为基体的合金材料，其主要合金成分为铁(Fe)、碳(C)、铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钴(Co)、铪(Hf)。成分范围为，C 0.8～1.0％，Cr 3.8～4.2％，Mo 4.5～5.2％，W 6～6.5％，V 1.6～2.2％，Co6～8％，Hf0.1-1％，其余为Fe。
以下是各种元素在合金中的主要作用：
铁(Fe)：基体元素。
碳(C)：碳含量是铁基材料基本的强化材料可以起到、固溶强化作用，同时淬火时可以增加淬硬性，增加淬火后刚才硬度，同时碳(C)可以与其他元素形成碳化物，碳化物弥散分布在机体内可以明显增加材料耐磨性，达到二次硬化的效果。
铬(Cr)：Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。Cr又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，提高淬透性。
钨(W)：W与C形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。加W，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。在退火状态下，W以碳化物形式存在，这类碳化物在淬火加热时较难溶解，加热时，一部分碳化物溶于奥氏体，淬火后W存在于马氏体中，在随后的回火时，形成W2C弥散分布，造成二次硬化，未熔得碳化物能起到阻止奥氏体晶粒长大及提高耐磨性的作用。
钼(Mo)：Mo能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。
钒(V)：是高速工具钢中提高红硬性的主要元素。V是强化物形成元素，形成稳定的VC，回火过程中的VC以细小弥散质点折出，造成二次硬化，其作用比W还强。高速工具钢的含V量增加，红硬性和耐磨性就提高。
钴(Co)：可提高高速钢的淬火硬度和高温硬度，与Mo同时加入可获得超高强度和良好的综合力学性能，Co对马氏体中析出的渗碳体有抑制作用，增大二次硬化过程进行时马氏体中碳的过饱和度，增加合金碳化物析出的驱动力。
铪(Hf)：以固溶形式固溶于高速钢中，可以明显提高强度，同时铪可以提升高速钢红硬性。
二、合金熔炼
(1)原料的筛选与称量：称取上述重量百分比的金属原料，选用的金属原料表面干燥、洁净，金属原料中S和P的总体含量低于0.001％；
(2)烘干焙烧：将称取的金属原料在550-650℃进行烘干焙烧，去除吸附水与结晶水；
(3)投料压实：将烘干焙烧后的金属原料混合均匀，投入到感应电炉内，压实、盖上炉盖；
(4)快速升温：150kg/炉的金属原料在30分钟内加热到1580℃熔炼得到钢液；
(5)沉淀脱氧：上述得到的混合钢液采用重量百分比为0.5-1％的Al-Si-Mn脱氧剂联合沉淀脱氧、镇静处理3-6分钟；
(6)终脱氧：镇静后随即快速升温至1580℃，并且加入0.05-0.1％混合稀土元素进行终脱氧2)烘干焙烧：原料进行600℃烘干焙烧，去掉吸附水与结晶水。
三、雾化制粉
(1)雾化浇包：在浇包中投放总的重量百分比为0.3％-0.6％的氟铝酸钠和氟化钙的混合物，倾斜感应炉，将钢液倒入浇包内，雾化温度控制在1540℃±15℃；
(2)高压气体雾化：采用高压氩气或高压氮气对浇包内的金属液流喷射使之雾化破碎，高压气体与钢液接触的初速度不小于1000m/s，气体初温在-20℃～+5℃之间；
(3)干燥筛分：将制得的毛粉产品进行干燥、筛分，制成成品粉。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施例详细说明如下：
实施例1：
一种高速钢粉体材料，包括以下重量百分比的原料，C 1.0％，Cr 3.8％，Mo4.4％，W6.2％，V 2.2％，Co 6.0％，Hf0.5％，其余为Fe。
制粉过程：
1)原料筛选与预处理：选用的原料表面干燥、整洁，称取上述重量百分比的原料；
2)烘干焙烧：原料进行600℃烘干焙烧，去掉吸附水与结晶水。
3)投料压实：将原料投入到感应炉内，压实、盖上炉盖；
4)快速升温，150kg/炉经30分钟内加热达到1580℃；
5)沉淀脱氧：采用Al、Si、Mn联合沉淀脱氧、镇静处理6分钟；
6)终脱氧：镇静后，升温至1580℃并保温，并且加入0.05-0.1％混合稀土终脱氧，同时在钢液进入包中时向包内投放重量百分比为0.5％氟铝酸钠和氟化钙混合物。
7)雾化浇包：感应炉倾斜，将钢液倒入包内，雾化温度控制在1540℃±15℃。
8)液氮雾化：采用高纯度氮气(纯度大于99.9999％)对金属液流进行雾化破碎，气体与钢液接触初速度不小于1000m/s，气体初温在-20℃～+5℃之间。
9)干燥筛分：将制得毛粉产品干燥，筛分，制成成品粉。
试验结果：
1、含氧量测定：
采用美国力可TC400行氮氧分析仪，对制得粉末材料进行含氧量测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表1，含氧量均值为220.4ppm。
表1 实施例1含氧量测试数据
2、流动性测试：
采用英国马尔文ms3000型激光粒度分析仪，对制得粉末材料进行流动性测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表2，流动性均值达到15.12s/50g
表2 实施例1流动性测试数据
3、松装密度测试：
采用JL-A3型粉体特性测试仪，对制得粉末材料进行松装密度测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表3，松装密度均值达到4.52g/cm3。
表3 实施例1松装密度测试数据
4、成球率分析
采用目测法观察粉末成球率，随机选择三组粉末材料显微镜下拍摄照片，通过观察估计成球率，实例1的三组照片见图3-图5，成球率测试数据见表4，成球率平均值为96％。
表4 实施例1成球率测试数据
实施例2：
一种高速钢粉体材料，包括以下重量百分比的原料，C 0.9％，Cr 4.0％，Mo5.0％，W 6.0％，V 2.8％，Co 7.0％，Hf0.2％，其余为Fe。
制粉过程同实施例1。
试验结果：
1、含氧量测定：
采用美国力可TC400行氮氧分析仪，对制得粉末材料进行含氧量测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表5，含氧量均值为201.3ppm。
表5 实施例2含氧量测试数据
2、流动性测试：
采用英国马尔文ms3000型激光粒度分析仪，对制得粉末材料进行流动性测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表6，流动性均值达到15.47s/50g。
表6 实施例2流动性测试数据
3、松装密度测试：
采用JL-A3型粉体特性测试仪，对制得粉末材料进行松装密度测定，随机选取一批粉末中的10个位置进行测试，测试结果如表7，松装密度均值达到4.537g/cm3。
表7 实施例2松装密度测试数据
4、成球率分析
采用目测法观察粉末成球率，随机选择三组粉末材料显微镜下拍摄照片，通过观察估计成球率，实例2的三组照片见图6-图8，成球率测试数据见表8，成球率平均值为96.6％。
表8 实施例2成球率测试数据
通过实验总结并通过批量生产，其技术指标均稳定可靠达到以下规定范围：
(1)球形率达89％以上；
(2)流动性≤16秒/50g；
(3)松装比≥4.5g/cm3；
(4)氧含量≤250PPM。
总之，生产优质高速工具钢粉体材料必须从原材料、原料配制、投入熔炼、雾化全过程严格控制，它是齐抓共管的结晶。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以上述实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (4)
1.一种高速钢粉体材料，其特征在于：包括以下重量百分比的金属原料，
C：0.8～1.0％；
Cr：3.8～4.2％；
Mo：4.5～5.2％；
W：6～6.5％；
V：1.6～2.2％；
Co：6～8％；
Hf：0.1-1％；
余量为Fe。
2.如权利要求1所述的高速钢粉体材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)原料的筛选与称量：称取上述重量百分比的金属原料，选用的金属原料表面干燥、洁净，金属原料中S和P的总体含量低于0.001％；
(2)烘干焙烧：将称取的金属原料在550-650℃进行烘干焙烧，去除吸附水与结晶水；
(3)投料压实：将烘干焙烧后的金属原料混合均匀，投入到感应电炉内，压实、盖上炉盖；
(4)快速升温：150kg/炉的金属原料在30分钟内加热到1580℃熔炼得到钢液；
(5)沉淀脱氧：上述得到的混合钢液采用重量百分比为0.5-1％的Al-Si-Mn脱氧剂联合沉淀脱氧、镇静处理3-6分钟；
(6)终脱氧：镇静后随即快速升温至1580℃，并且加入0.05-0.1％混合稀土元素进行终脱氧；
(7)雾化浇包：在浇包中投放总的重量百分比为0.3％-0.6％的氟铝酸钠和氟化钙的混合物，倾斜感应炉，将钢液倒入浇包内，雾化温度控制在1540℃±15℃；
(8)高压气体雾化：采用高压氩气或高压氮气对浇包内的金属液流喷射使之雾化破碎，高压气体与钢液接触的初速度不小于1000m/s，气体初温在-20℃～+5℃之间；
(9)干燥筛分：将制得的毛粉产品进行干燥、筛分，制成成品粉。
3.如权利要求2所述的高速钢粉体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(8)中高压氩气或高压氮气的纯度大于99.9999％。
4.如权利要求2所述的高速钢粉体材料的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的Al-Si-Mn脱氧剂中Al：Si：Mn＝1：1：1。
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