CN114318164B

CN114318164B - 耐磨耐蚀工具钢

Info

Publication number: CN114318164B
Application number: CN202110303398.6A
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: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2041-03-22
Also published as: CN114318164A

Abstract

本发明提供了一种耐磨耐蚀工具钢，采用粉末冶金工艺制备，且其化学组分按质量百分比计包括：(C+N)：0.8％‑6％，C：≤1.5％，N：0.6％‑4.8％，Si：0.01％‑1.2％，Mn：0.2％‑1.2％，Cr：12％‑27％，(Mo+0.5W)：0.5％‑6.5％，且Mo：≤5％，W：≤3％，(V+Ti)：2％‑16％，且V：≤10％，Ti：0.5％‑12％，Co：≤8％，余量为Fe和杂质。本发明所述的耐磨耐蚀工具钢，其第二相呈颗粒状均匀分布，且尺寸细小，具备优异的综合力学性能，同时具备优异的耐磨损性能及耐腐蚀性能。

Description

耐磨耐蚀工具钢

技术领域

本发明涉及工具钢材料技术领域，特别涉及一种耐磨耐蚀工具钢。

背景技术

在一些特殊的工况条件下，工具或零部件经受运动部件或工作介质中硬的研磨颗粒直接接触，会引起磨粒磨损，还会经受潮湿、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，所使用的工具钢必须具有高的耐磨性能和耐蚀性能。应用于该类型工况的合金，现行的一种方案是采用较高的Cr和V合金含量，同时辅助配以其它合金，合金中Cr固溶于基体发挥抗腐蚀作用，V与C形成MC碳化物发挥抗磨损作用。例如，该类型合金中典型的一种商业牌号为Cr20V4的合金，该合金采用粉末冶金工艺制备，其主要合金成分包括20％的Cr及4％的V。

上述类型合金其性能对于一般性腐蚀及磨粒磨损工况是可以满足的，然而随着更为复杂工况的出现以及更长使用寿命的需求，尤其是在腐蚀性条件下以快速磨损为主要失效机制的工况，现有技术方案的使用效果并不理想。另外，为了提升性能带来合金元素配比的提升，导致成本增加，因此，如何在相近或者更低合金成本条件下，实现更高的综合性能是一种现实需求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种耐磨耐蚀工具钢，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：

一种耐磨耐蚀工具钢，所述耐磨耐蚀工具钢采用粉末冶金工艺制备，且其化学组分按质量百分比计包括：(C+N)：0.8％-6％，C：≤1.5％，N：0.6％-4.8％，Si：0.01％-1.2％，Mn：0.2％-1.2％，Cr：12％-27％，(Mo+0.5W)：0.5％-6.5％，且Mo：≤5％，W：≤3％，(V+Ti)：2％-16％，且V：≤10％，Ti：0.5％-12％，Co：≤8％，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+N)：0.8％-5％，C：≤1.2％，N：0.6％-4.0％，Si：0.3％-0.8％，Mn：0.2％-0.8％，Cr：12％-24％，(Mo+0.5W)：0.5％-5％，且Mo：≤2.5％，W：≤3％，(V+Ti)：2％-10％，且V：≤10％，Ti：0.5％-6％，Co：≤8％。

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，所述粉末冶金工艺主要步骤包括气雾化制粉、粉末固相渗氮及粉末致密化。

进一步的，所述耐磨耐蚀工具钢中MX氮化物的体积分数为4-26％。

进一步的，MX氮化物颗粒尺寸≤7μm。

进一步的，至少80％的MX氮化物颗粒尺寸≤3μm。

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

N元素固溶于基体，产生固溶强化作用，同时是氮化物的形成元素，该氮化物主要为MX型第二相，其中M主要为Ti，X主要为N，大量MX氮化物的存在可极大提升耐磨性能。由于一些合金元素在形成MX氮化物方面的相似性，上述M可部分混有V、Nb等合金元素，X可部分混有C合金元素。在本发明合金中，C作为一种可选元素，和N协同发挥作用，C的合适的含量范围为≤1.5％，同时C+N的含量范围为0.8％-6％，优选的C的合适的含量范围为≤1.2％，同时C+N的含量范围为0.8％-5％，在此应当注意的是，当C存在时，N含量需要根据比率减量以维持合金体系的平衡。

由于N元素与Ti具有强烈反应倾向，所以N的合金化主要通过合金粉末固相渗氮方式实现，合金粉末具有很大的表面，固相渗氮速度将远快于传统零部件整体表面固相渗氮方式，如此既能避免对气雾化制粉可能产生的不利影响，同时能够保证N含量调控到合适的范围。固相渗氮的另外一个好处是即使达到高氮含量时，第二相的形成及粗化能够被很好的控制，合金仍能保持高的韧性。

Ti与N反应形成第二相也即高硬度MX氮化物，其微观硬度超过3000HV，显著高于可能导致磨损的绝大多数硬质颗粒，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。MX氮化物在基体的存在不用担心类似表面涂覆工艺存在涂层脱落风险，基于前述粉末冶金工艺流程，MX氮化物能够在基体中以细小颗粒状由外而内均匀分分布于整个基体，能够在工件使用过程的全寿命周期内稳定发挥作用。Ti的含量设定需要考虑到和N的反应平衡，对于本发明合金，Ti的合适的含量范围为0.5％-12％，优选的合适的含量范围为0.5％-6％。

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0.01％-1.2％，优选的合适的含量范围为0.3％-0.8％。

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％-1.2％，优选的合适的含量范围为0.2％-0.8％。

Cr在本发明中主要用来提高基体淬透性，因此本发明中，Cr的合适的含量范围为12％-27％，优选的合适的含量范围为12％-24％。

Mo和W主要用来提高淬透性以及促使热处理后达到所需硬度，W与Mo可以相互替代，替代系数为Mo＝2W，(Mo+0.5W)的合适的含量范围为0.5％-6.5％，且W的含量范围为≤3％，Mo的含量范围为≤5％，优选的(Mo+0.5W)的合适的含量范围为0.5％-5％，且W的含量范围为≤3％，Mo的含量范围为≤2.5％。

V在本发明中为可选元素，其可参与形成MX第二相，和Ti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)的合适的含量范围为2％-16％，优选的V的合适的含量范围为≤10％，同时(V+Ti)的合适的含量范围为2％-10％。

Co为可选元素，其用于提升基体硬度，本发明中，Co的合适的含量范围为≤8％。

除了上述设定的化学组分，本发明的耐磨耐蚀合金，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％。

本发明的耐磨合金，通过选定合适的化学组分及配比，合金中第二相MX氮化物体积分数为4-26％，且合金中MX氮化物颗粒尺寸≤7μm，至少80％的MX氮化物颗粒尺寸≤3μm。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的耐磨耐蚀工具钢，其耐磨性能实现的关键在于选定合适的化学组分及配比，以形成大量的MX氮化物，该氮化物微观硬度达到HV3000以上，超过现有绝大多数金属或非金属硬质磨粒硬度，从而显著提升耐磨性能，同时兼具较高的性价比。高硬度MX氮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。

此外，本发明所述的耐磨耐蚀工具钢，设计足够的Cr固溶于基体，赋予合金优异的抗腐蚀性能。

另外，本发明所述耐磨耐蚀工具钢适用于同时存在腐蚀及磨损性工况使用，尤其是腐蚀性条件下以快速磨损为主要失效机制的工况。本钢种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，其采用特定的工艺制备。

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所述的耐磨耐蚀工具钢的微观组织图片；

图2为本发明实施例3所述的耐磨耐蚀工具钢的微观组织图片；

图3为本发明实施例4所述的耐磨耐蚀工具钢的微观组织图片；

图4为本发明所述的耐磨耐蚀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。

本发明涉及一种耐磨耐蚀工具钢，为了使其具有优异的综合性能，本发明限定了合适的化学组分及配比，根据本发明中特定的化学成分及配比，本发明的耐磨耐蚀工具钢优选采用粉末冶金工艺制备，主要工艺流程包括气雾化制粉、粉末固相渗氮、热等静压致密化等，采用气雾化制粉及粉末固相渗氮方式进行氮化，可提高氮含量同时避免氮化物粗化。

在此需要说明的是，本发明所述的气雾化制粉工艺包括如下过程，采用一种高压惰性气体，如氮气或氩气，出于成本考虑优选氮气，高压惰性气体将具有本发明合金成分的熔融态合金液雾化喷射冷却，使合金熔液瞬间凝固成细小的近球形粉末颗粒。

前述的粉末固相渗氮工艺为将粉末置于具有一定氮势气氛中，同时加热粉末。所述氮势气氛包括但不限于氮气、氨气、氮氢混合气。

此外，本发明所述的热等静压工艺包括如下过程，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后然后焊接密封，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的致密化，从而成为锭材。

另外，为了进一步改善力学性能或实现特定形状产品尺寸，当然还可对制备的锭材进行进一步的热变形加工。作为一种优选的可行的实施方案，合金可经过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。

现对照现有商业牌号Cr20V4的合金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

实施例	C	Si	Mn	Cr	W	Mo	V	Ti	N
										1	1.9	0.7	0.4	20	0.5	1	4	-	0.08
2	0.01	0.01	0.3	19	0.01	2.5	0.01	6	1.6
										3	0.2	0.3	0.2	27	3	1.3	4	12	4.8
4	0.5	0.8	1.2	12	3	5	0.5	1.5	0.6
										5	1.5	1.2	0.6	24	0.2	0.4	10	0.5	1.8
6	1.2	0.8	0.6	18	3	1.5	6	4	2.8
										7	1.2	0.8	0.6	18	3	1.5	7	8	4.2
8	1.8	0.8	0.6	20	0.5	1	4	0.4	0.1
										9	1.5	0.8	0.6	18	3	1.5	0	13	3.0

其中，实施例1为现有商业牌号Cr20V4合金的主要化学成分，采用粉末冶金工艺制备。

实施例2至实施例9为本发明的耐磨耐蚀工具钢，采用粉末冶金工艺制备，先采用气雾化制粉工艺制取粉末，接着进行粉末固相渗氮处理，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雾化气体及排空风机，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℃。

所述粉末固相渗氮处理为将粉末在氮气气氛中加热到超过900℃，保温2-10小时。

所述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9在气雾化制粉过程中，金属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8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

对实施例1至实施例8分析微观组织中富Ti型MX析出相，结果如表2所示。

表2：实施例富Ti型MX析出相含量及粒度对比

实施例	淬火	回火	MX体积分数
				1	1150℃	540℃，2小时*2次	0
2	1160℃	540℃，2小时*2次	10％
				3	1160℃	540℃，2小时*2次	22％
4	1160℃	540℃，2小时*2次	2％
				5	1160℃	540℃，2小时*2次	1％
6	1160℃	540℃，2小时*2次	5％
				7	1160℃	540℃，2小时*2次	14％
8	1160℃	540℃，2小时*2次	＜0.5％

表2中，实施例1至实施例8的合金经过淬火及回火后，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，结果如下：

实施例1的微观组织如图1所示，第二相组成为富Cr型M7C3、M23C6碳化物及富V型MC碳化物，所述碳化物至少80％颗粒尺寸≤3微米，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％。

由于实施例2至实施例7的工具钢均采用粉末冶金工艺制备，实施例3和实施例4的微观组织分别如图3和图4所示，合金中第二相主要为富Cr型M2X氮化物以及富Ti型MX氮化物，组织中MX氮化物呈离散分布状态，颗粒细小且分布均匀。MX氮化物体积分数为4-26％，MX氮化物颗粒尺寸≤7微米，至少80％的MX氮化物颗粒尺寸≤3微米。本发明合金中大量细小MX氮化物的存在对提升合金抗磨损性能发挥关键所用。

(2)热处理硬度

对实施例1至实施例8的耐磨耐蚀工具钢测试硬度，结果见下表。

表3：对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	1160℃	540℃，2小时*2次	60
2	1160℃	540℃，2小时*2次	61
				3	1160℃	540℃，2小时*2次	62
4	1160℃	540℃，2小时*2次	63
				5	1160℃	540℃，2小时*2次	60
6	1160℃	540℃，2小时*2次	62
				7	1160℃	540℃，2小时*2次	63
8	1160℃	540℃，2小时*2次	62

热处理的工艺参数如表3所示，参照GB/T 230.1-2018，并采用洛氏硬度计分别测定表3中各实施例的工具钢热处理后的硬度，结果表明，实施例1至实施例8的耐磨耐蚀工具钢以及现有商业牌号的合金均能达到高的硬度水平。

(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8的工具钢热处理的工艺参数如表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1至实施例7的工具钢均表现出优秀的耐磨性能，尤其是实施例3，具有最高的Ti合金含量以及匹配设计有相应的N含量以形成MX氮化物组织，从而表现出最优异的耐磨性能。另外从本发明其它实施例可以看出，高硬度MX氮化物组织的存在，对耐磨性能的提升是显而易见的。

实施例8的耐磨耐蚀工具钢，由于MX氮化物较少，对耐磨性能改善不明显。

(4)耐腐蚀性能

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。

表4：各实施例的耐腐蚀性能对比

序号	奥氏体化	回火	腐蚀速率mm/y
				1	1160℃	540℃，2小时*2次	260
2	1160℃	540℃，2小时*2次	240
				3	1160℃	540℃，2小时*2次	120
4	1160℃	540℃，2小时*2次	320
				5	1160℃	540℃，2小时*2次	220
6	1160℃	540℃，2小时*2次	200
				7	1160℃	540℃，2小时*2次	190
8	1160℃	540℃，2小时*2次	270

对比结果如表4所示，实施例1至实施例8的合金表面均表现出良好的耐腐蚀性能。

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N为例，N具有固溶于基体、提升耐蚀性能，同时参与各类第二相的析出反应，需要综合考虑各种不同反应之间的平衡，设计合适的N合金含量和其它合金含量，才能兼顾各方面性能。

此外，需要控制第二相存在形态，包括粒度，尺寸，分布等，合适的合金成分以及粉末冶金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，过高合金含量设计，生产无法实施，太低则性能改善效果不明显。

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

1.一种耐磨耐蚀工具钢，其特征在于，所述耐磨耐蚀工具钢采用粉末冶金工艺制备，且其化学组分按质量百分比计包括：（C+N）：0.8%-6%，C：≤1.5%，N：0.6%-4.8%，Si：0.01%-1.2%，Mn：0.2%-1.2%，Cr：12%-27%，（Mo+0.5W）：0.5%-6.5%，且Mo：≤5%，W：≤3%，（V+Ti）：2%-16%，且V：≤10%，Ti：0.5%-12%，Co：≤8%，余量为Fe和杂质；所述耐磨耐蚀工具钢中MX氮化物的体积分数为4-26%；所述粉末冶金工艺主要步骤包括气雾化制粉、粉末固相渗氮及粉末致密化。

2.根据权利要求1所述的耐磨耐蚀工具钢，其特征在于：其化学组分按质量百分比计包括：（C+N）：0.8%-5%，C：≤1.2%，N：0.6%-4.0%，Si：0.3%-0.8%，Mn：0.2%-0.8%，Cr：12%-24%，（Mo+0.5W）：0.5%-5%，且Mo：≤2.5%，W：≤3%，（V+Ti）：2%-10%，且V：≤10%，Ti：0.5%-6%，Co：≤8%。

3.根据权利要求1所述的耐磨耐蚀工具钢，其特征在于：所述杂质包括O，且O：≤0.03%。

4.根据权利要求1所述的耐磨耐蚀工具钢，其特征在于：所述杂质包括S，且S：≤0.3%。

5.根据权利要求1所述的耐磨耐蚀工具钢，其特征在于：所述杂质包括P，且P：≤0.05%。

6.根据权利要求1所述的耐磨耐蚀工具钢，其特征在于：MX氮化物颗粒尺寸≤7μm。

7.根据权利要求6所述的耐磨耐蚀工具钢，其特征在于：至少80%的MX氮化物颗粒尺寸≤3μm。