CN114318132B

CN114318132B - 耐腐蚀耐磨损工具钢

Info

Publication number: CN114318132B
Application number: CN202110303403.3A
Authority: CN
Inventors: 李小明
Original assignee: Wuhan Juneng Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Juneng Technology Co ltd
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2041-03-22
Also published as: CN114318132A

Abstract

本发明提供了一种耐腐蚀耐磨损工具钢，采用快速凝固工艺制备，其化学组分按质量百分比计包括：C：1.2％‑3.5％，Si：0.4％‑1.0％，Mn：0.2％‑1.0％，Cr：12％‑27％，Mo：0.8％‑3.0％，Co：≤4％，V：≤10％，Nb：≤4％，Ti：0.5％‑6％，余量为Fe和杂质。本发明所述的耐腐蚀耐磨损工具钢，其第二相尺寸细小，分布均匀，具备优异的综合力学性能，尤其是组织中高硬度第二相的存在，可使该钢种具有极佳的耐磨性能。

Description

耐腐蚀耐磨损工具钢

技术领域

本发明涉及工具钢材料技术领域，特别涉及一种耐腐蚀耐磨损工具钢。

背景技术

在一些特殊的工况条件下，工具或零部件不仅经受运动部件或工作介质中硬的研磨颗粒直接接触引起磨损，还经受潮湿、酸或其它腐蚀剂的腐蚀作用，如用于塑料机械挤注塑成形的螺杆、螺杆头或螺杆套筒等零部件，一方面由于塑料中添加大量硬质颗粒，如玻璃纤维、碳纤维等，导致这些零部件磨损加剧，另一方面塑料中腐蚀性成分对零部件产生化学腐蚀。

为了使应用于这些特殊工况的零部件具备长的使用寿命，所使用工具钢必须具有高的耐磨性能和耐蚀性能。解决应用于该类型工况的合金方案现行的一种做法是采用高Cr高V合金含量设计，Cr固溶于基体发挥抗腐蚀作用，V与C形成MC碳化物发挥提高耐磨性能作用，基于该理念的一种典型商业牌号如M390，该合金采用粉末冶金工艺制备，其Cr合金含量为20％，V合金含量为4％。

由于大量使用Cr和V，尤其V是一种较贵重元素，带来合金的成本相对高昂，如何兼顾合金的性能与成本，以达到提升合金综合性价比的目的是本发明所要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种耐腐蚀耐磨损工具钢，以使其具有优异的耐磨性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种耐腐蚀耐磨损工具钢，所述耐腐蚀耐磨损工具钢采用快速凝固工艺制备，且其化学组分按质量百分比计包括：C：1.2％-3.5％，Si：0.4％-1.0％，Mn：0.2％-1.0％，Cr：12％-27％，Mo：0.8％-3.0％，Co：≤4％，V：≤10％，Nb：≤4％，Ti：0.5％-6％，余量为Fe和杂质。

进一步的，其化学组分按质量百分比计包括：C：1.2％-2.9％，Si：0.4％-1.0％，Mn：0.2％-0.8％，Cr：12％-27％，Mo：0.8％-3.0％，Co：≤4％，V：≤10％，Nb：≤4％，Ti：0.5％-3％。

进一步的，(V+Ti+0.5Nb)范围为：2％-12％。

进一步的，所述杂质包括O，且O：≤0.03％。

进一步的，所述杂质包括S，且S：≤0.3％。

进一步的，所述杂质包括P，且P：≤0.05％。

进一步的，所述快速凝固工艺包括粉末冶金工艺或喷射成形工艺。

进一步的，所述耐腐蚀耐磨损工具钢中富Ti型MX碳化物的体积分数为1％-15％。

进一步的，富Ti型MX碳化物颗粒尺寸≤7μm。

进一步的，至少80％的富Ti型MX碳化物颗粒尺寸≤3μm。

本发明中，特定的化学成分及配比是实现其耐腐蚀耐磨性能的必要条件，各化学组分作用及原理简述如下：

C元素一部分固溶于基体，有利于热处理后一定硬度的获得，另外C元素参与各类碳化物的形成，对于本实施例的耐腐蚀耐磨损工具钢，其耐磨性能的获得关键在于形成超高硬度富Ti类型MX碳化物，其中M代表以Ti为主的元素，X代表以C为主的元素，也可与N一同形成C、N混合型MX碳化物。

在此需要说明的是，对于本发明的耐腐蚀耐磨损工具钢，N不是一种必须元素，但出于成本考虑，在气雾化制粉环节，以氮气为雾化介质时，N的含量会增加到一定数值，在一定含量范围内，N能够发挥有益作用，主要是与C一起参与碳化物形成，此时需要对C的含量进行重新核定以维持合适的碳平衡系数。过高N的存在对于本发明的合金钢被认为是不利的，主要的原因在于：过量N的增加，会导致雾化过程存在钢液堵塞漏眼的风险。出于获得最佳综合力学性能角度考虑，C的合适的含量范围设定为1.2％-3.5％，优选范围为1.2％-2.9％，在上述范围内能够获得最大耐磨性能以及强韧性的配合。N在本发明中为可选元素，可接受的N的合适的含量范围≤0.2％。

Si作为一种脱氧剂和基体强化元素来使用，但过高的Si导致基体脆性增加，因此本发明中，Si的合适的含量范围为0.4％-1.0％。

Mn作为脱氧剂加入，可以弱化S的有害作用，适当Mn还可增加淬透性，但过高Mn增加脆性风险，因此本发明中，Mn的合适的含量范围为0.2％-1.0％，优选范围为0.2％-0.8％。

Cr在本发明中主要用来提高耐腐蚀性能及淬透性，Cr的合适的含量范围为12％-27％。

Mo在本发明中主要用来提高淬透性以及促使热处理后达到所需硬度，Mo的合适的含量范围为0.8％-3.0％。

W在本发明中为一种可选元素，可以部分替代Mo，替代系数为Mo＝2W，两者皆可与C反应形成碳化物，对热处理硬度及耐磨性能也有一定贡献。

Ti与C或N反应形成高硬度富Ti型MX碳化物，其微观硬度达到HV3000以上，显著高于其他类型碳化物以及可能导致磨损的绝大多数硬质颗粒，所以在磨损性工况条件下能够实现更好保护基体的作用，从而提高耐磨性能。富Ti型MX碳化物在基体的存在不用担心类似表面涂覆TiC或TiN等方式存在表面脱落的风险，基于粉末冶金工艺，富Ti型MX碳化物能够在基体中以细小近似球状颗粒由外而内均匀分布于整个基体，能够在工件使用过程的全寿命周期内稳定发挥作用。由于过高的Ti会形成大量高熔点碳化物导致气雾化制粉过程变得不稳定，因此本发明中，Ti的合适的含量范围为0.5％-6％，优选范围为0.5％-3％。

V在本发明合金中形成MX碳化物，V合金元素可作为一种补充和Ti合金元素配合使用来提高耐磨性能。在本发明中，V的合适的含量范围为≤10％，同时V+Ti+0.5Nb的质量分数总量范围为2％-12％。

Nb在本发明中为一种可选元素，作用与V类似，Nb的合适的含量范围为≤4％。

Co在本发明中为一种可选元素，Co的合适的含量范围为≤4％。

除了上述设定的化学组分，本发明的耐腐蚀耐磨损工具钢，余量为Fe基体，当然还包括一些不可避免的残余微量元素，包括O、S、P等，为了防止对合金力学性能产生不利影响，要求O的合适的含量范围为≤0.03％，S的合适的含量范围为≤0.3％，P的合适的含量范围为≤0.05％。

除此以外，本发明的化学组分中，杂质还可包括Zr、Mg、Al、Cu、Ni、Sn和Pb中的至少一种，且这些杂质的总量不大于1％。

本发明的耐腐蚀耐磨损工具钢，通过选定合适的化学组分及配比，工具钢中高硬度富Ti型的MX碳化物体积分数为1-15％，且工具钢中富Ti型MX碳化物颗粒尺寸≤7μm，至少80％的富Ti型MX碳化物颗粒尺寸≤3μm，且工具钢中富Ti型MX碳化物形态为近似球状颗粒。

作为一种优选的可行的实施方案，本发明的耐腐蚀耐磨损工具钢需采用快速凝固工艺制备以避免合金元素偏析，如其可采用粉末冶金工艺或喷射成形工艺，本发明优选采用粉末冶金工艺。其中粉末冶金工艺的主要制备流程包括气雾化制粉、热等静压等，喷射成形工艺直接将合金熔液雾化喷射成形为锭材。为了进一步改善力学性能或实现特定形状产品尺寸，当然还可对上述锭材进行进一步的热变形加工。

在此需要说明的是，本发明所述的气雾化制粉工艺步骤及工艺参数如下：

a.将本发明合金装入熔炼钢包，在保护气氛下供电加热；

b.合金熔化后继续升温至≥1600℃，取样分析成分后调整至合格范围；

c.提前预热雾化中间包坩埚，合金熔液雾化前中间包温度达到900℃-1300℃，合金熔液过热度控制在100℃-300℃；

d.合金熔液温度达到要求后开启高压氮气或氩气及排空风机，合金熔液经中间包底部陶瓷漏眼进入雾化系统，启动合金熔液雾化，合金熔液雾化流量控制在10kg/min-50kg/min；

e.雾化粉末经气流输送至集粉罐体，冷却至≤50℃。

此外，本发明所述的热等静压工艺过程如下：

a、将气雾化制粉工艺制备的合金粉末置于一个金属包套，对其抽真空后排出包套内气体，然后焊接密封；

b、将装粉密封后的包套置于热等静压炉，在温度超过1000℃及压力超过100MPa条件下实现包套内粉末完全致密化，成为热等静压锭材。

另外，本发明所述的热变形，是为了进一步改善力学性能或实现特定形状的产品尺寸，对热等静压工艺制备的锭材进一步的进行热变形加工，热变形加工温度为950℃-1180℃。

对本合金进行进一步热处理以获得合适的综合性能，具体来讲，合金经过1065℃-1180℃奥氏体化后淬火处理，以及520℃-560℃回火2次，每次回火2小时，而后转变为硬化状态。对耐腐蚀性能有更高要求的工况条件下可采用低温回火工艺，即淬火后在200-300℃温度中回火2次，每次2小时。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的耐腐蚀耐磨损工具钢，具备优异耐腐蚀耐磨性能的关键在于选定合适的化学组分及配比，通过Cr的固溶实现耐腐蚀性能的提升，通过形成超高硬度富Ti型MX碳化物提升耐磨性能，该碳化物微观硬度达到HV3000以上，超过现有绝大多数金属或非金属硬质磨粒硬度，从而具有高性价比，且具有优异耐腐蚀性能和耐磨损性能。

此外，本发明所述的耐腐蚀耐磨损工具钢，通过采用合适的化学组分及配比并结合快速凝固工艺制备，可有效防止合金元素偏析，钢材中高硬度富Ti型MX碳化物以细小弥散方式分布于基体，既可提升耐磨性能，同时不会过多损害可加工性能。

本发明所述耐腐蚀耐磨损工具钢适用于同时存在腐蚀及磨损性工况使用，其同时具备以下性能特征：优异耐腐蚀性能，优异耐磨损性能，热处理后具有高的韧性及硬度，力学性能不同取向差异小，热处理变形小，易于被磨削加工。

上述一项或多项性能的实现，一方面依赖于选定合适的化学组分及配比，另外作为一个必要条件，其采用快速凝固工艺制备，以避免合金元素偏析。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1所述的耐腐蚀耐磨损工具钢的微观组织图片；

图2为本发明实施例2所述的耐腐蚀耐磨损工具钢的微观组织图片；

图3为本发明实施例4所述的耐腐蚀耐磨损工具钢的微观组织图片；

图4为本发明所述的耐腐蚀耐磨损工具钢各实施例的相对耐磨性能对比的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下将对照现有商业牌号的工具钢的化学成分以及本发明的几个具体实施例来进行说明，具体可参照表1中所示。

表1：工具钢的各实施例的化学组分

表1中，实施例1为对比例，其为购买的一种商业牌号不锈工具钢的化学成分，实施例2至实施例10为本发明的耐腐蚀耐磨损工具钢，实施例1至实施例10均采用粉末冶金工艺制备，本发明实施例先采用气雾化制粉工艺制取粉末，然后对粉末进行热等静压致密化，而后制成直径120mm的锭坯，进一步热变形加工后得到直径50mm的棒材。

所述雾化制粉工艺步骤及工艺参数如下：

a.将本发明合金装入熔炼钢包，在保护气氛下供电加热；

b.合金熔化后继续升温至1800℃，取样分析成分后调整至合格范围；

c.预热雾化中间包坩埚，合金熔液雾化前中间包温度达到1000℃；

d.合金熔液温度达到要求后开启高压氮气或氩气及排空风机，合金熔液经中间包底部陶瓷漏眼进入雾化系统，启动合金熔液雾化，合金熔液雾化流量控制在20kg/min；

e.雾化粉末经气流输送至集粉罐体，冷却至50℃。

所述热等静压工艺过程如下：

b、将装粉密封后的包套置于热等静压炉，在温度1100℃及压力110MPa条件下实现包套内粉末完全致密化，成为热等静压锭材。

在此需要说明的是，实施例10在制备过程中，钢液容易发生雾化漏眼堵塞，难以稳定生产。

接下来，对表1中实施例1至实施例9的工具钢从以下几个方面进行对比测试：(1)热处理后微观组织；(2)热处理硬度；(3)耐磨性能；(4)耐腐蚀性能。对比结果如下：

(1)热处理后微观组织

实施例1至实施例9的合金，按表2中工艺参数进行热处理，分析微观组织。

表2：各实施例碳化物含量及粒度对比

实施例	淬火	回火	TiC体积分数
				1	1150℃	540℃	无
2	1160℃	550℃	1％
				3	1160℃	540℃	4％
4	1160℃	540℃	10％
				5	1160℃	540℃	2％
6	1160℃	540℃	5％
				7	1160℃	540℃	4％
8	1160℃	540℃	7％
				9	1160℃	540℃	＜0.5％

表2中，各实施例的工具钢经过淬火及回火后，组织均由马氏体、少量残余奥氏体及硬质第二相组成，并具有典型的粉末冶金合金组织特征，第二相细小且分布均匀，无明显合金元素偏析。采用扫描电镜对第二相进行形态分析及类别鉴别及其体积含量的分析。

实施例1的合金，微观组织如图1所示，第二相组成为富Cr型M7C3碳化物及富V型MC碳化物，两种碳化物至少80％颗粒尺寸≤3μm，其中富Cr型M7C3碳化物体积分数为12％-20％，富V型MX碳化物体积分数为6％-10％。

实施例2至实施例8的合金中，实施例2和实施例4的微观组织分别如图2和图3所示，除了含有上述两种碳化物，还包含有富Ti型MX碳化物，其颗粒尺寸≤7μm，至少80％颗粒尺寸≤3μm，形态为近似球状颗粒。高硬度富Ti型MX碳化物以细小弥散方式分布于基体，既可提升耐磨性能，同时不会过多损害可加工性能。

实施例9的合金，由于Ti加入量较少，检测到所形成耐磨TiC颗粒相过少，对耐磨性能提升有限。

(2)热处理硬度

实施例1至实施例9的合金，按表3中工艺参数进行热处理，测试硬度。

表3：各实施例进行热处理后的硬度测试结果

实施例	奥氏体化	回火	硬度/HRC
				1	1150℃	540℃，2小时*2次	61
2	1160℃	540℃，2小时*2次	62
				3	1160℃	540℃，2小时*2次	62
4	1160℃	540℃，2小时*2次	62
				5	1160℃	540℃，2小时*2次	61
6	1160℃	540℃，2小时*2次	62
				7	1160℃	540℃，2小时*2次	62
8	1160℃	540℃，2小时*2次	62
				9	1160℃	540℃，2小时*2次	62

热处理后的工艺参数如表3所示，参照GB/T 230.1-2018对热处理后的各实施例进行硬度测试，结果表明，实施例1至实施例9的合金均能达到高的硬度水平，能够满足绝大多数耐磨工况对材料硬度的需求。

(3)耐磨性能

采用金属对磨试验测试合金的耐磨性能，摩擦副为45#钢，载荷50kg，转数200r/min。实施例1至实施例9的工具钢热处理工艺参数如表3中所示。耐磨性能根据被测试材料失重进行计量，划分为10个耐磨性能等级，其中1为最差耐磨性能，10为最好耐磨性能。

对比结果如图4中所示，实施例2至实施例8中，实施例4具有最高的Ti合金含量并匹配设计有相应的C含量，以形成富Ti型MX碳化物组织，表现出最优异的耐磨性能，另外，其它实施例由于Ti合金添加所形成的高硬度碳化物的形成，对耐磨性能的提升同样明显。

实施例9的合金，无明显富Ti型MX碳化物析出，对耐磨性能改善不明显。

(4)耐腐蚀性能

采用两种不同的腐蚀性介质，比较本发明合金与现有商业牌号工具钢的耐腐蚀性能。

第一种比较方法如下：

将各实施例的工具钢采用5％硝酸乙醇溶液浸泡腐蚀，浸泡1小时后观察表面腐蚀状态，0代表无腐蚀点，10代表整个表面被腐蚀，对比结果如表4所示：

表4：对工具钢的各实施例进行耐腐蚀性能对比

实施例	奥氏体化	回火	腐蚀状态
				1	1150℃	540℃，2小时*2次	0
2	1160℃	540℃，2小时*2次	0
				3	1160℃	540℃，2小时*2次	0
4	1160℃	540℃，2小时*2次	0
				5	1160℃	540℃，2小时*2次	0
6	1160℃	540℃，2小时*2次	0
				7	1160℃	540℃，2小时*2次	0
8	1160℃	540℃，2小时*2次	0
				9	1160℃	540℃，2小时*2次	0

从表4可看出，本发明合金及现有商业牌号合金均表现出耐腐蚀特性。

第二种比较方法如下：

采用5％HNO₃+1％HCl溶液，在室温条件下对本发明实施例合金进行浸泡腐蚀，24小时后测定表面厚度减少尺寸，折算到年腐蚀速率。对比结果如表5所示。

表5：对各实施例进行耐腐蚀性能对比

实施例	奥氏体化	回火	腐蚀速率mm/y
				1	1150℃	540℃，2小时*2次	280
2	1160℃	540℃，2小时*2次	295
				3	1160℃	540℃，2小时*2次	240
4	1160℃	540℃，2小时*2次	360
				5	1160℃	540℃，2小时*2次	220
5	1160℃	200℃，2小时*2次	50
				6	1160℃	540℃，2小时*2次	65
6	1160℃	200℃，2小时*2次	30
				7	1160℃	540℃，2小时*2次	210
8	1160℃	540℃，2小时*2次	260
				9	1160℃	540℃，2小时*2次	270

从表5可看出，本发明的合金在高温及低温回火条件下均能保持良好的耐腐蚀性能，实施例6的合金具有较高Cr含量，耐腐蚀性能更优。另外，从不同回火温度耐腐蚀性能的对比，进一步显示出低温回火有利于获得更高的耐腐蚀性能。

总体来讲，合金是一个复杂系统，各种合金元素会相互发生作用，因此各化学组分会同时参与一种或多种反应并相互影响，以TiC中的C为例，C具有固溶于基体、促进马氏体形成并发生固溶强化作用，参与TiC化合反应，参与其它类碳化物化合析出等，另外N元素作用部分与C类似，可见需要综合考虑各种不同反应之间的平衡，设计合适的C合金含量和其它合金含量，才能使TiC按照需要的量形成。

另一方面，若想TiC在工具钢中发挥有效作用，同时需要控制TiC的存在形态，包括粒度，尺寸，分布等，合适的合金成分以及快速凝固工艺的配合才能实现。最后还需要考虑的是，需要兼顾工艺实施的难度，过高的TiC含量设计，生产无法实施，太低则耐磨性能效果不明显。

在本说明书的描述中，给出了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对发明的限制，在不相互矛盾的情况下，本领域的普通技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例的特征进行结合、组合、替换和变形。

Claims

1.一种耐腐蚀耐磨损工具钢，其特征在于，所述耐腐蚀耐磨损工具钢采用快速凝固工艺制备，且其化学组分按质量百分比计包括：C：1.2%-3.5%，Si：0.4%-1.0%，Mn：0.2%-1.0%，Cr：18%-27%，Mo：0.8%-3.0%，Co：≤4%，V：≤10%，Nb：≤4%，Ti：2%-6%，余量为Fe和杂质；所述耐腐蚀耐磨损工具钢中富Ti型MX碳化物的体积分数为1-15%；富Ti型MX碳化物颗粒尺寸≤7μm；至少80%的富Ti型MX碳化物颗粒尺寸≤3μm。

2.根据权利要求1所述的耐腐蚀耐磨损工具钢，其特征在于：其化学组分按质量百分比计包括：C：1.2%-2.9%，Si：0.4%-1.0%，Mn：0.2%-0.8%，Cr：18%-27%，Mo：0.8%-3.0%，Co：≤4%，V：≤10%，Nb：≤4%，Ti：2%-3%。

3.根据权利要求1所述的耐腐蚀耐磨损工具钢，其特征在于：(V+Ti+0.5Nb)范围为：2%-12%。

4.根据权利要求1所述的耐腐蚀耐磨损工具钢，其特征在于：所述杂质包括O，且O：≤0.03%。

5.根据权利要求1所述的耐腐蚀耐磨损工具钢，其特征在于：所述杂质包括S，且S：≤0.3%。

6.根据权利要求1所述的耐腐蚀耐磨损工具钢，其特征在于：所述杂质包括P，且P：≤0.05%。

7.根据权利要求1所述的耐腐蚀耐磨损工具钢，其特征在于：所述快速凝固工艺包括粉末冶金工艺或喷射成形工艺。