CN107513670A

CN107513670A - 一种多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢

Info

Publication number: CN107513670A
Application number: CN201710716484.3A
Authority: CN
Inventors: 张晖
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2017-12-26

Abstract

本发明公开了一种多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢，属于金属材料技术与制造领域。该高速钢成分中必须添加的主要化学成分C、Fe、W、Mo重量百分含量分别为0.7～1.2％、70～82％、6～7％、3‑5％，成分中还需以等摩尔比或近等摩尔比添加Cr、V、Co、Al元素，并需选择添加Ni、Cu、Ti合金元素中的1～3种，上述各元素重量百分比介于0.5～3.5％。与相同条件制备的钨钼系W6Mo5Cr4V2高速钢相比，该高速钢凝固后主要相结构为高硬度马氏体基体、残余奥氏体及少量细小碳化物，其回火硬度、耐氧化性能和耐热磨损性能均明显占优，因而可适用于对高硬度、高温耐磨有较高要求的热轧辊、刃具模具等材料领域。

Description

一种多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢

技术领域

本发明属于金属材料技术与制造领域，具体涉及一种多组元抗氧化耐热磨损高速钢及其制备方法。

背景技术

高速钢是一种含钨、钼、铬、钒等多种强碳化物形成元素的高碳高合金钢，典型成分如钨系高速钢W18Cr4V。经过适当的热处理后，具有优异的红硬性、回火硬度和耐热磨损性能，广泛应用于磨具、刀具、刃具、热轧辊以及该类材料的表面涂层制造领域。

高速钢耐磨性能主要来自于其高硬度马氏体基体和碳化物硬质析出相，碳化物含量越多、尺寸越细、分布越均匀，其耐磨性越好。除钨系高速钢之外，研究人员通过添加Mo、Cr、V取代W调控高速钢中碳化物含量与类型，或者通过添加Co提高红硬性和高温耐磨性还开发了钨钼系高速钢和含钴高速钢，典型成分如W6Mo5Cr4V2和W6Mo5Cr4V2Co5等。但是，当钢铁材料中合金元素总添加量过高时，高速钢无论是采用熔炼、浇筑，还是铸-锻工艺生产均难以克服其内部粗大的一次碳化物形成、严重成分偏析和组织恶化等冶金缺陷，造成材料的韧性恶化，裂纹易沿碳化物基体界面形成。可见，传统高速钢成分设计理论中合金元素添加含量是有限制的。

根据合金成分设计与相选择的吉布斯自由能(ΔG)与焓变(ΔH)的关系：ΔG＝ΔH-TΔS，合金系统组态熵(ΔS)增加可以避免第二相的凝固析出，促进固溶体相优先形核。基于此，2002年中国专利CN13532014A公开了一种含5种或5种以上以近等摩尔比配置的高乱度多主元高熵合金，研究发现高熵效应有利于促进简单固溶体形核，抑制第二相生长粗化，多主元合金元素的联合添加效果可赋予合金良好的耐蚀性能。但是，该合金设计中铁添加含量限定在35mol.％以下。之后，本发明申请人2011年尝试提高Fe元素含量至50％，发现激光熔覆Fe₆NiCoCrAlTiSi成分合金也具有简单的固溶体相和高的硬度，但该成分未发现回火硬化性能。可见将高熵效应与先进钢铁材料相结合，是金属材料研究人员值得探索并拓展的方向。

发明内容

为克服现有技术不足，本发明要解决的技术问题是将高混合熵效应与先进高速钢材料相结合，提出一种多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢及其制备方法，以期与相同工艺制备的钨钼系典型成分W6Mo5Cr4V2高速钢相比，多组元成分高速钢耐氧化性能和440～560℃热磨损性能更优，能广泛适用于传统熔铸快速或凝固方法制造对高硬度、高温耐磨有较高要求的热轧辊、刃具和模具材料。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

本发明一种多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢，所述高速钢成分中必须添加的合金元素C、Fe、W、Mo占合金总重量的重量百分比为：0.7～1.2％C、70～82％Fe、6～7％W、3～5％Mo；所述高速钢成分中还必需以等摩尔比或近等摩尔比添加Cr、V、Co、Al合金元素，并需选择添加Ni、Cu、Ti合金元素中的1～3种，上述各合金元素添加量占合金总重量的重量百分比介于0.5～3.5％。

所述高速钢成分中还可包含钢铁冶金中不可避免的Si、Mn、P、S少量添加合金元素，各合金元素占合金总重量的重量百分比分别为：Si<0.5％、Mn<1.0％、S<0.04％、P<0.04％。

本发明同时提供了上述多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢的制备方法，采用熔铸常规凝固制备的合金需在1050～1250℃进行高温淬火处理，随后在440～560℃进行2～3次回火处理。采用激光快速凝固制备后合金不需要进行高温固溶处理，可直接在440～560℃进行2～3次回火处理。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1.本发明将高混合熵效应与先进高速钢材料相结合，除基体元素Fe及主要强碳化物合金元素C、W、Mo之外，新型高速钢还需以等摩尔比或近等摩尔比添加V、Co、Ni、Al、Cu、Ti等合金元素的多数或全部。由于添加元素种类的增多提高了合金的组态熵，可有效避免凝固过程中粗大硬质第二相的形核与生长，避免材料韧性恶化，易形成裂纹等冶金缺陷。

2.本发明所述多组元成分高速钢不仅添加C、Mo、W、Cr等强碳化物形成元素，还添加了V、Co、Ni、Al、Cu、Ti等合金元素。高的合金元素添加含量有利于2～3次回火过程中析出更多纳米级或亚微米级细小弥散的碳化物和金属间化合物硬质相。因此，与相同方法制备的钨钼系高速钢W6Mo5Cr4V2相比具有接近或更高的回火硬度。

3.高速钢具有优良的红硬性，但其热磨损服役性能与表面抗氧化性能和及氧化膜的致密性密切相关。本发明借助多组元成分Cr、Al、Co、Ni等耐氧化元素的添加，抗氧化性能和氧化物膜致密性明显高于W6Mo5Cr4V2成分高速钢，而致密、高润滑的耐氧化物膜形成使其热磨损性能与W6Mo5Cr4V2成分高速钢相比具有明显的优势。

附图说明

图1为本发明实施例1中激光快速凝固No.1试样和W6Mo5Cr4V2两成分高速钢回火前后的X射线衍射谱对比图。

图2为本发明实施例1中激光快速凝固No.1成分试样三次回火后组织的扫描电镜图。

具体实施方式

本发明提出的一种多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢，可采用激光熔覆、喷射沉积等快速凝固方法制备，也可采用常规熔铸法制造。其中，激光熔覆的粉末原料制备方法可以利用水雾化、气雾化或者机械球磨合金化法等，这些粉末制备方法及技术均为专业人员所熟悉，于此不再一一赘述。下面结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。

实施例1

表1成分列表中M2牌号是已商业化钨钼系W6Mo5Cr4V2高速钢典型成分，编号1～11成分为本实施例采用激光熔覆技术制备的多组元抗氧化耐热磨损高速钢。其中，1～3号成分中基体Fe元素含量不同；4～5号成分在1～2号基础上增加了Ti合金元素；6～8号成分改变了C的含量，9～11号成分分别改变了W、Mo含量或选择添加了Ni、Cu元素。试样制备过程：首先，选取纯度≥99.5％的Fe、Mo、W、Cr、V、Co、Ni、Cu、Al、Ti合金粉末按照重量百分比配置，配置好上述合金元素后根据配置总重量进一步添加C、Si、Mn等元素，其中S、P元素含量均<0.04％；随后，将配置好的合金粉末置于球磨机中混合30分钟；然后，利用CO₂横流激光器以同步式送粉方式等常规激光熔覆方法将已混合均匀的多组元高速钢粉末熔覆到45钢基底金属表面；再然后，将激光熔覆后的涂层置于热处理炉内于440～560℃温度区间进行2～3次回火处理，每次回火处理各保温1小时。

图1为激光熔覆编号No.1试样和W6Mo5Cr4V2两成分高速钢涂层530℃三次回火前后的X射线衍射谱对比，可以看出两试样凝固后主要相结构均为马氏体、残余奥氏体和少量碳化物，回火后残余奥氏体含量减少。图2为激光熔覆编号No.1试样530℃三次回火后扫描电镜组织，可以看出其基体组织主要为回火马氏体，在晶界处弥散分布少量碳化物。

实验测试结果表明实施例1中所述所有成分在440～560℃温度区间进行2～3次回火处理后均具有明显的时效硬化性能。表1给出了各成分试样在440～560℃温度区间进行2～3次回火处理后最大回火硬度。可以看出，1～11号多组元成分高速钢涂层最大回火硬度均接近或高于W6Mo5Cr4V2高速钢的回火硬度。特别是由于多组元成分高速钢含有耐高温抗氧化的Co、Ni、Al等合金元素，用氧化增重方法测定多组元成分新型高速钢的耐氧化性能均明显高于W6Mo5Cr4V2高速钢。因此，导致440～560℃之间测试热磨损性能发现相同温度下新型多组元成分高速钢的抗热磨损性能均明显高于相同工艺下制备的W6Mo5Cr4V2高速钢。

表1实施例1所述成分及最优回火硬度

实施例2

本实施例采用真空电弧炉熔铸技术制备块体高速钢，所给成分见表2。其中牌号M2是钨钼系W6Mo5Cr4V2高速钢典型成分，编号1～4试样为本实施例采用真空电弧炉熔炼技术制备的多组元抗氧化耐热磨损高速钢成分。所选各合金元素按照重量百分比配置，各配置成分中S、P元素含量均<0.04％，本实施成分中均未添加Si、Mn元素。试样制备过程：首先，从纯度均≥99.5％母材上截取原料，使用机械打磨的方法去除原料金属表面的氧化皮；然后，采用感应量为0.1mg的电子天平称取总原料重量20g，并混合均匀；随后，把混合好的原料放在沈阳真空技术研究所研制的WK型非自耗真空电弧炉内的铜坩锅中，将炉体抽真空，当真空度达到5×10^-3MPa时通入氩气(高纯氩气，纯度≥99.9％)，反复通入氩气三次保证原料不被氧化；熔炼电流设置为250±30A，熔炼时间60秒，待熔炼均匀冷却后，再将合金块翻面重复熔炼，如此反复五次以确保合金的所有元素熔炼均匀；最后，使用真空吸铸设备将熔炼好的原料铸入水冷铜模上固化为踠状的铸锭，得到凝固试样。后序热处理工艺为：将凝固试样分别在电阻炉中于1100～1350℃加热淬火，然后再在440～560℃温度区间进行2～3次回火处理。

实施例2中所述成分经上述热处理后均表现出明显的时效硬化性能。采用力学性能测试机测试压缩性能，测试试样尺寸为Ф4*6mm，表2给出了各成分试样在最优热处理条件下获得的屈服强度。可以看出，1～4号多组元成分高速钢最大屈服强度均高于或接近W6Mo5Cr4V2高速钢的屈服强度。特别是由于多组元成分高速钢含有耐高温抗氧化的Co、Ni、Al等合金元素，用氧化增重方法测定多组元成分新型高速钢的耐氧化性能均明显高于W6Mo5Cr4V2高速钢。因此，导致440～560℃热磨损性能测试发现相同温度下新型多组元成分高速钢的抗热磨损性能均明显高于相同熔炼工艺下制备的W6Mo5Cr4V2高速钢。

表2实施例2所述块体熔炼试样成分和测定的屈服强度

Claims

1.一种多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢，其特征在于：所述高速钢成分中必须添加的合金元素C、Fe、W、Mo占合金总重量的重量百分含量为：0.7～1.2％C、70～82％Fe、6～7％W、3～5％Mo；

所述高速钢成分中还必需以等摩尔比或近等摩尔比添加Cr、V、Co、Al合金元素，并需选择添加Ni、Cu、Ti合金元素中的1～3种，上述各合金元素添加量占合金总重量的重量百分含量介于0.5～3.5％。

2.如权利要求1所述的多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢，其特征在于：所述高速钢成分中还包含少量的Si、Mn、P、S合金元素，各合金元素占合金总重量的重量百分含量分别为：Si<0.5％、Mn<1.0％、S<0.04％、P<0.04％。

3.如权利要求1所述的多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢的制备方法，其特征在于：采用熔铸常规凝固制备的合金需在1050～1250℃进行高温淬火处理，随后在440～560℃进行2～3次回火处理。

4.如权利要求1所述的多组元成分抗氧化耐热磨损高速钢的制备方法，其特征在于：采用激光快速凝固制备后合金不需要进行高温固溶处理，可直接在440～560℃进行2～3次回火处理。