CN110273096B - 一种SiC/M2粉末高速钢复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SiC/M2粉末高速钢复合材料，所述复合材料相对密度＞99％，硬度为66～69HRC，包含纳米级增强相颗粒SiC、亚微米级硬质相SiC和析出的亚微米级M6C型复合碳化物，增强相SiC颗粒平均粒度为200nm，硬质相SiC和M6C型复合碳化物粒度≤1μm；复合材料的基体为M2高速钢，SiC颗粒作为为外加质点均匀弥散分布于基体中，原料组分及其体积百分含量如下：M2高速钢85％～90％，SiC颗粒10％～15％，SiC颗粒中≤200nm的SiC颗粒体积分数为10％～20％，其余是大于200nm且小于1μm的颗粒。本发明的预合金复合粉末制备技术，不仅有利于获得粒度细小均匀的复合粉末，阻止SiC粉末的团聚、实现SiC颗粒和基体粉末的充分合金化。

Description

一种SiC/M2粉末高速钢复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术，具体是指一种SiC/M2粉末高速钢复合材料及其制备方法。
背景技术
现有技术中，用于制作切削工具的高速钢主要是钨钼高速钢M2，其化学成分以重量百分比计(％)，分别为C：0.80～0.90，W：5.50～6.75，Mo：4.50～5.50，Cr：3.80～4.40，V：1.75～2.20，Mn：0.15～0.40，Si：≤0.40，S：≤0.03，P：≤0.03，余量为Fe，钨钼高速钢M2淬回火后的硬度为65±1HRC，能够满足硬度在270HB以下正火态的钢料的加工要求，但是今年来为减轻机械零件重量，提高零件强度，延长零件寿命，钢料逐步由正火态改为调制态，相应的钢料的加工硬度也提高到大于等于300HB，由钨钼高速钢M2制作的硬度为65±1HRC刀具已不能满足要求。
为解决这个问题，目前采用硬度为66±1HRC的高硬高速钢和硬度为67±1HRC的超硬高速钢来制作刀具，国际上通用的高硬高速钢和超硬高速钢分别为钨钼高速钢M35和钼高速钢M42，这两种高速钢都含有元素Co，价格昂贵，分别是M2的2.5倍和5倍。因此，开发一种不含Co，工艺性能好，价格便宜的高硬及超硬高速钢就非常必要。M2硬度低的原因是碳含量低。提高碳含量可以提高硬度，但提高碳含量将使碳化物量增多，碳化物颗粒增大，碳化物偏析，因而使抗弯强度下降。
SiC颗粒具有高强度、高硬度、高模量、低膨胀系数等许多属性，是一种理想的增强体，目前SiC颗粒增强金属基复合材料在国内外的研究应用都非常活跃，而且SiC粉体的成本较低，因此，本发明采用SiC颗粒作为增强体以开发高耐磨性同时兼具良好韧性的高速钢。
专利申请号：CN201310744443.7，公开了粉末冶金高速钢及其制备方法，本发明的粉末冶金高速钢由以下方法制备得到：1)制备粉末混合物：按照设定组份及配比称取原料，在滚筒式球磨机中进行混合球磨，制备得到粉末混合物；2)成型：通过冷等静压成型将上述粉末混合物制成压坯；3)烧结：采用热压烧结技术对上述压坯进行真空或惰性气氛下烧结，烧结时将压坯加热至1100-1250℃并保温30-90分钟，烧结压力为10-40Mpa；4)热锻；5)热处理。
论文：淬火温度对添加B4C的ASP30粉末冶金高速钢组织及力学性能的影响，作者：刘少峰等，本文采用粉末冶金工艺制备ASP30粉末高速钢，将配好的粉料用高能行星球磨机混匀后模压成形，然后在真空烧结炉中于1160℃下烧结2h。分别烧结制备不添加B4C的ASP30与添加0.025％B4C的ASP30高速钢。
论文：B4C对M3:2粉末冶金高速钢组织与力学性能的影响，作者：张凤丽等，本文以水雾化M3:2高速钢预合金粉末为原料，添加适量碳化硼(B4C)粉末颗粒，球磨混合均匀后，经700MPa单向压制，1190℃和1230℃真空烧结，当添加体积分数为0.3％B4C时，M3:2粉末冶金高速钢的最佳烧结温度可降低约40℃；1190℃烧结温度下，添加体积分数为0.3％B4C的粉末冶金高速钢硬度为HRC54.1，抗弯强度3074.09MPa，与达到致密化时未添加B4C的粉末冶金高速钢相比，硬度提升3.6％，抗弯强度提升10.5％。加入的B4C粉末颗粒除了发挥烧结助剂的作用和降低烧结温度外，还会参与合金化，增强材料力学性能。
论文：粉末冶金T15M高速钢的制备及其性能研究，作者：黄庆奕，本文通过球磨工艺添加体积分数为5％的SiC来提高高速钢耐磨性，并研究了SiC对高速钢力学性能影响，结果表明，添加碳化硅能明显的增加T15M高速钢的红硬性和耐磨性，但是确降低了其冲击韧性和抗弯性能，其中冲击韧性更是下降高达48.7％。开发高性能的高速钢基复合材料，采用常用的球磨工艺，由于球磨时间长、耗能大、金属粉末表面氧化和球磨介质污染以及成型后降低高速钢韧性低等缺点，不利于低成本、高纯净、高性能粉末高速钢制备。
从以上专利和论文中可知，碳化物颗粒在粉末高速钢中的存在有益作用，并通过球磨工艺实现非金属粉末和金属粉末间合金化。球磨合金化的缺点是金属粉末表面氧化和球磨介质污染粉末。另外，碳化物和金属粉末实现合金化，需要很长的球磨时间，耗费很大电能，还不能达到100％合金化。本技术中提到的预合金化复合粉末制备技术还未见文献报道，结合近年来发展的冷压成型+真空或惰性气体保护烧结技术，可省去了包套-热等静压工艺，在提高粉末高速钢的力学性能基础上，同时大幅度地降低制造粉末高速钢成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足之处，提供一种SiC/M2粉末高速钢复合材料及其制备方法，实现微观组织晶粒细小、增强颗粒分布均匀、全致密、高硬度、高耐磨性、良好韧性的碳化硅增强粉末高速钢，同时又能大幅度的降低制备成本。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种SiC/M2粉末高速钢复合材料，所述复合材料相对密度＞99％，硬度为66～69HRC，包含纳米级增强相颗粒SiC、亚微米级硬质相SiC和析出的亚微米级M6C型复合碳化物，增强相SiC颗粒平均粒度为200nm，硬质相SiC和M6C型复合碳化物粒度≤1μm；复合材料的基体为M2高速钢，SiC颗粒作为为外加质点均匀弥散分布于基体中，原料组分及其体积百分含量如下：M2高速钢85％～90％，SiC颗粒10％～15％，SiC颗粒中≤200nm的SiC颗粒体积分数为10％～20％，其余是大于200nm且小于1μm的颗粒。
一种SiC/M2粉末高速钢复合材料的制备方法，具体包括：
(1)SiC粉体表面包覆处理
选择粒度≤1μm的SiC粉末，其表面镀铬或镀镍金属化处理，得到表面包覆铬或镍的包覆型SiC粉末；
(2)预合金SiC/M2高速钢复合粉末制备
a.真空感应炉熔炼M2高速钢后，熔炼钢水的终点温度为1600℃～1670℃；
b.雾化制粉：雾化介质采用气粉混合介质，雾化气体为氮气或氩气，雾化粉体为步骤(1)制得包覆型SiC粉末，将包覆型SiC粉末装入独立发送罐，采用气体输送+超声分散方式送到雾化器，在雾化器内与雾化气体相遇并弥散分布其中，形成气粉混合雾化介质；气粉混合雾化介质对M2高速钢进行雾化制得SiC/M2高速钢复合粉末，雾化气体压力2～4Mpa，钢水的雾化温度1580℃～1650℃；气粉雾化后，SiC/M2高速钢复合粉末中SiC粉末的体积分数为10％～15％，其余为M2高速钢粉末；
(3)单向压制成型或冷等静压成型
采用单向压制成型或冷等静压成型将步骤(2)制得的SiC/M2高速钢复合粉末压制成型，单向压制的压力为600～700MPa，保压时间10～15min；冷等静压压力为150～350MPa，保压时间为5～10min；
(4)烧结
采用热压烧结技术对上述压坯进行真空或惰性气氛下烧结，将压坯加热至1100℃～1180℃并保温30～90min，烧结压力为10～40MPa，冷却后即获得致密度＞99％的高速钢坯体；
(5)热处理
奥氏体化温度1100℃～1150℃，保温20～30min，油淬，回火温度540℃～560℃，每次1.5～2h，回火3次；
所述的基体M2高速钢的组分及其质量百分比含量为：C0.80～0.90，Si0.30～0.40，Mn0.25～0.32，W5.00～5.50，Mo4.90～5.10，Cr3.80～4.20，V1.80～2.20，余量Fe及不可避免的杂质。
所述的步骤(1)的SiC粉末中，小于200nm的SiC粉末的体积分数为10％～20％。
所述的步骤(2)中输送到雾化器的SiC粉末的流量为1.8～4.2kg/min。
所述的步骤(2)中输送SiC粉末的输送气体为氮气或氩气，输送压力为1～2MPa，超声分散频率为20～25KHz。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的预合金复合粉末制备技术，不仅有利于获得粒度细小均匀的复合粉末，阻止SiC粉末的团聚、实现SiC颗粒和基体粉末的充分合金化，而且由于细小的SiC颗粒表面包覆处理和输送中采用超声波分散，避免微细粒子间的团聚，实现SiC颗粒弥散分布于基体粉末中，也避免了成型后SiC颗粒在晶界偏聚。
2)本发明所述的预合金复合粉末制备技术和粉末高速钢的制备技术相结合的成形方法，不仅省去了球磨合金化工艺，也不采用包套-热等静压工艺，极大的降低了粉末高速钢的成本；而且SiC粉末的含量可控，可以实现高含量颗粒增强高速钢基复合材料的充分致密化。因该SiC粉末价格比较便宜、密度比基体材料M2高速钢低得多，可有效降低高速钢基复合材料的成本和密度，从而提高其性价比和实现高速钢基复合材料的轻量化，具有很好推广应用前景。
3)本发明制备方法有助于获得细晶结构，制备的SiC/M2高速钢细晶复合材料全致密，比传统方法制备的高速钢基复合材料具有更高的硬度、耐磨性及优良的韧性，可以广泛用于切削工具、冷热工模具以及其他高耐磨、耐高温切削材料和结构零件中。
4)本发明制备的粉末高速钢中不含Co，含亚微米级SiC，且热处理后硬度达到66～69HRC，因此，可以获得低密度、高致密、低成本的高速钢基复合材料，在轻量化、抗磨损的场合具有较广的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明：
以下实施例对本发明进行详细描述。这些实施例仅是对本发明的最佳实施方案进行描述，并不对本发明的范围进行限制。
实施例1
一种SiC/M2高速钢复合材料制备方法，包括如下步骤及工艺条件：
步骤一：SiC粉体表面包覆处理
选择粒度≤1μm的SiC粉末，其中，小于200nmSiC粉末的体积分数为10％，然后，对颗粒表面镀铬处理；
步骤二：预合金SiC/M2高速钢复合粉末制备
真空熔炼M2高速钢终点温度为1640℃，钢水的雾化温度1590℃；钢水组分及其质量百分数：C0.85％，Si0.35％，Mn0.28％，W5.12％，Mo5.03％，Cr3.85％，V1.99％，余量Fe，含有不可避免的杂质元素；
将步骤一中包覆型SiC粉末装入单独的发送罐，采用氩气将其输送到雾化器中，与雾化气体(氩气)形成气粉混合雾化介质，进而雾化钢水制成SiC/M2高速钢复合粉末。输送气体(氩气)压力1MPa；雾化气体(氩气)压力为3MPa；雾化器中SiC粉末的流量为1.8kg/min；雾化后复合粉末中外加SiC颗粒体积分数为10％；
步骤三：冷等静压成型
采用冷等静压成型将上述制得复合粉末压制成型，冷等静压压力为200MPa，保压时间为10min；
步骤四：烧结
热压烧结真空下进行，真空度小于5Pa，烧结是将压坯加热至1180℃并保温60min，烧结压力为30MPa，冷却后即获得致密度＞99％的高速钢坯体。
步骤五：热处理
奥氏体化温度1150℃，保温30min，油淬，回火温度550℃，每次2h，回火3次。
烧结态复合材料密度为7.92g/cm3(密度采用阿基米德排水法测量)。烧结态SiC/M2高速钢复合材料中基体晶粒尺寸小于1.5μm，硬质相SiC和析出M6C复合碳化物尺寸小于1μm，增强相SiC颗粒平均尺寸约为200nm。热处理后室温硬度、红硬性和抗弯强度分别为66HRC、63.5HRC和4383.4MPa(硬度在HR-150A型全洛氏硬度计上测试；红硬性实验为淬回火试样在600℃保温4小时后冷却到室温的洛氏硬度；采用三点弯曲法在CMT5105型的万能试验机上测试复合材料的弯曲强度，试样尺寸为16mm×4mm×2mm，跨距为10mm，加载速度为0.05mm/min)。
可见，采用本专利方法可以获得组织细小、均匀，全致密的一种SiC/M2高速钢复合材料；SiC颗粒以纳米级粒度在基体中呈弥散分布。析出的M6C型碳化物尺寸显著低于其它制备方法，并且该材料具有较优异的综合力学性能及耐磨性能。究其原因，可能是SiC颗粒本身就是稳定的高硬度质点，在基体中加入一定量SiC颗粒会显著提高其耐磨性，另外，纳米级尺寸的SiC颗粒在钢水凝固中起到形核质点作用，细化了基体组织和析出的M6C型碳化物，而细小的晶粒组织往往具有较为优异的力学性能和耐磨性能。
实施例2
一种SiC/M2粉末高速钢复合材料的制备方法，具体包括：
步骤一：SiC粉体表面包覆处理
选择粒度≤1μm的SiC粉末，其中，小于200nmSiC粉末的体积分数为14％，然后，对颗粒表面镀铬处理；
步骤二：预合金SiC/M2高速钢复合粉末制备
真空熔炼M2高速钢终点温度为1640℃，钢水的雾化温度1590℃；钢水组分及其质量百分数：C0.85％，Si0.35％，Mn0.28％，W5.12％，Mo5.03％，Cr3.85％，V1.99％，余量Fe，含有不可避免的杂质元素；
将步骤一中包覆型SiC粉末装入单独的发送罐，采用氩气将其输送到雾化器中，与雾化气体(氩气)形成气粉混合雾化介质(粉末均匀弥散分布其中)，进而雾化钢水制成SiC/M2高速钢复合粉末。输送气体(氩气)压力1.5MPa；雾化气体(氩气)压力为3Mpa；雾化器中SiC粉末的流量为3.0kg/min；雾化后复合粉末中外加的SiC颗粒体积分数为12％；
步骤三：冷等静压成型
采用单向压制成型将上述制得复合粉末压制成型，单向压制的压力为680MPa，保压时间12min；
步骤四：烧结
热压烧结真空下进行，真空度小于5Pa，烧结是将压坯加热至1150℃并保温60min，烧结压力为30MPa，冷却后即获得致密度＞99％的高速钢坯体；
步骤五：热处理
本奥氏体化温度1150℃，保温30min，油淬，回火温度550℃，每次1.5h，回火3次。
烧结态复合材料密度为7.90g/cm3(密度采用阿基米德排水法测量)。烧结态SiC/M2高速钢复合材料中基体晶粒尺寸小于2μm，硬质相SiC和析出M6C复合碳化物尺寸小于1μm，增强相SiC颗粒平均尺寸约为200nm。热处理后室温硬度、红硬性和抗弯强度分别为67.5HRC、65HRC和4379.6MPa(硬度在HR-150A型全洛氏硬度计上测试；红硬性实验为淬回火试样在600℃保温4小时后冷却到室温的洛氏硬度；采用三点弯曲法在CMT5105型的万能试验机上测试复合材料的弯曲强度，试样尺寸为16mm×4mm×2mm，跨距为10mm，加载速度为0.05mm/min)。
实施例3
一种SiC/M2粉末高速钢复合材料的制备方法，具体包括：
步骤一：SiC粉体表面包覆处理
选择粒度≤1μm的SiC粉末，其中，小于200nmSiC粉末的体积分数为20％，然后，对颗粒表面镀铬处理；
步骤二：预合金SiC/M2高速钢复合粉末制备
真空熔炼M2高速钢终点温度为1640℃，钢水的雾化温度1590℃；钢水组分及其质量百分数：C0.85％，Si0.35％，Mn0.28％，W5.12％，Mo5.03％，Cr3.85％，V1.99％，余量Fe，含有不可避免的杂质元素；
将步骤一中包覆型SiC粉末装入单独的发送罐，采用氩气将其输送到雾化器中，与雾化气体(氩气)形成气粉混合雾化介质(粉末均匀弥散分布其中)，进而雾化钢水制成SiC/M2高速钢复合粉末。输送气体(氩气)压力2MPa；雾化气体(氩气)压力为3Mpa；雾化器中SiC粉末的流量为4.8kg/min；雾化后复合粉末中外加的SiC颗粒的体积分数为15％；
步骤三：冷等静压成型
采用冷等静压成型将上述制得复合粉末压制成型，冷等静压压力为200MPa，保压时间为10min；
步骤四：烧结
热压烧结真空下进行，真空度小于5Pa，烧结是将压坯加热至1100℃并保温60min，烧结压力为30MPa，冷却后即获得致密度＞99％的高速钢坯体；
步骤五：热处理
奥氏体化温度1150℃，保温30min，油淬，回火温度550℃，每次1.5h，回火3次。
烧结态复合材料密度为7.88g/cm3(密度采用阿基米德排水法测量)。烧结态SiC/M2高速钢复合材料中基体晶粒尺寸小于2μm，硬质相SiC和析出M6C复合碳化物尺寸小于1μm，增强相SiC颗粒平均尺寸约为200nm。热处理后室温硬度、红硬性和抗弯强度分别为69HRC、66.5HRC和4239.4MPa(硬度在HR-150A型全洛氏硬度计上测试；红硬性实验为淬回火试样在600℃保温4小时后冷却到室温的洛氏硬度；采用三点弯曲法在CMT5105型的万能试验机上测试复合材料的弯曲强度，试样尺寸为16mm×4mm×2mm，跨距为10mm，加载速度为0.05mm/min)。

Claims (3)

1.一种SiC/M2粉末高速钢复合材料，所述复合材料相对密度＞99％，硬度为66～69HRC，包含纳米级增强相颗粒SiC、亚微米级硬质相SiC和析出的亚微米级M6C型复合碳化物，增强相SiC颗粒平均粒度为200nm，硬质相SiC和M6C型复合碳化物粒度≤1μm；复合材料的基体为M2高速钢，SiC颗粒作为为外加质点均匀弥散分布于基体中，原料组分及其体积百分含量如下：M2高速钢85％～90％，SiC颗粒10％～15％，SiC颗粒中≤200nm的SiC颗粒体积分数为10％～20％，其余是大于200nm且小于1μm的颗粒，基体M2高速钢的组分及其质量百分比含量(％)为：C0.80～0.90，Si0.30～0.40，Mn0.25～0.32，W5.00～5.50，Mo4.90～5.10，Cr3.80～4.20，V1.80～2.20，余量为Fe及不可避免的杂质；
制备方法，具体包括：
(1)SiC粉体表面包覆处理
选择粒度≤1μm的SiC粉末，其表面镀铬或镀镍金属化处理，得到表面包覆铬或镍的包覆型SiC粉末；
(2)预合金SiC/M2高速钢复合粉末制备
a.真空感应炉熔炼M2高速钢后，熔炼钢水的终点温度为1600℃～1670℃；
b.钢水气粉混合雾化制备复合粉末：雾化介质采用气粉混合介质，雾化气体为氮气或氩气，雾化粉体为步骤(1)制得包覆型SiC粉末，将包覆型SiC粉末装入独立发送罐，采用气体输送+超声分散方式送到雾化器，在雾化器内与雾化气体相遇并弥散分布其中，形成气粉混合雾化介质；气粉混合雾化介质对M2高速钢进行雾化制得SiC/M2高速钢复合粉末，雾化气体压力2～4MPa，钢水的雾化温度1580℃～1650℃；气粉雾化后，SiC/M2高速钢复合粉末中SiC粉末的体积分数为10％～15％，其余为M2高速钢粉末；
(3)单向压制成型或冷等静压成型
采用单向压制成型或冷等静压成型将步骤(2)制得的SiC/M2高速钢复合粉末压制成型，单向压制的压力为600～700MPa，保压时间10～15min；冷等静压压力为150～350MPa，保压时间为5～10min；
(4)烧结
采用热压烧结技术对压坯进行真空或惰性气氛下烧结，将压坯加热至1100℃～1180℃并保温30～90min，烧结压力为10～40MPa，冷却后即获得致密度＞99％的高速钢坯体；
(5)热处理
奥氏体化温度1100℃～1150℃，保温20～30min，油淬，回火温度540℃～560℃，每次1.5～2h，回火3次。
2.根据权利要求1所述的一种SiC/M2粉末高速钢复合材料，其特征在于，所述的步骤(2)中输送到雾化器的SiC粉末的流量为1.8～4.2kg/min。
3.根据权利要求1所述的一种SiC/M2粉末高速钢复合材料，其特征在于，所述的步骤(2)中输送SiC粉末的输送气体为氮气或氩气，输送压力为1～2MPa，超声分散频率为20～25KHz。
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