CN117165837A - 粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢，其化学成分按质量百分比计包含：C：0.1％‑0.2％；Si：0.3％‑0.8％；Cr：2.0％‑15.0％；V：0.05‑2.0％；Co：10.0％‑30.0％；W：0％‑5.0％；Mo：10％‑28.0％；(Mo+W/2)：10.0％‑31.0％；余量为铁和杂质，所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中析出相包括大量金属间化合物(简称IMC)μ相和少量的MC碳化物，其中μ相为(Fe,Co)7(Mo+W/2)6型，MC碳化物为V(C、N)型。本发明的沉淀硬化高速钢μ相和碳化物尺寸细小且分布均匀，具备出色的综合性能，尤其是耐磨损性能和耐腐蚀性能，能够满足不同工况的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种沉淀硬化高速钢，尤其涉及一种粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢。
背景技术
在航空航天及海洋化工等领域中，工具或零部件除了承受工作应力加载和冲击，还需要经受潮湿、酸或其他腐蚀性介质的腐蚀作用，为了适用于在这些工况条件同时具备长的使用寿命，材料必须具备良好的强韧匹配和高的耐腐蚀性能。
沉淀硬化钢是一种无碳铁基马氏体沉淀硬化工具合金，由于成分中C含量低，基本无碳化物析出，组织主要为铁基基体和Fe-Co-Mo-W的金属间化合物(即IMC)，硬化效应是由于时效过程中析出的IMC颗粒所致。此类沉淀硬化高速钢具有良好的可磨削性和抗回火软化能力，尺寸稳定性好。
由于采用传统的铸锻工艺制备时，受到工艺过程钢液缓冷凝固特点的限制，合金成分在凝固过程中容易发生偏析，这种不良的组织无法通过热加工方式得到有效解决，将对合金性能产生不良影响，导致高速钢性能上包括强度、韧性、可磨削性能等处于偏低水平，难以满足高端加工制造对材料性能和寿命的要求，且现有的沉淀硬化钢的耐腐蚀的能力也难以满足在高端领域中的使用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有良好组织和优异性能的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢，其特征在于，按质量百分比计，该钢包括如下化学组分：
C：0.1％-0.2％；
Si：0.3％-0.8％；
Cr：2.0％-15.0％；
V：0.05-2.0％；
Co：10.0％-30.0％；
W：0％-5.0％；
Mo：10％-28.0％；
(Mo+W/2)：10.0％-31.0％；
余量为铁和杂质；
且，所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中析出相包括大量金属间化合物(简称IMC)μ相和少量的MC碳化物，其中μ相为(Fe,Co)7(Mo+W/2)6型，MC碳化物为V(C、N)型。
本发明通过合金成分及配比的合理设计，从而提高钢的耐磨性和耐蚀性。
具体而言，本发明中沉淀硬化高速钢中的本发明中沉淀硬化高速钢中的C(碳)的含量需要控制在0.1％-0.2％，优选为C：0.1％-0.18％，减少碳化物的析出，主要以μ相析出实现强化，钢中少量的C用于形成碳化物，进一步提高沉淀硬化钢的耐磨性。
Co(钴)的作用是固溶于基体中，使合金成为马氏体钢，从而比铁素体合金的硬度和强度提高了一个档次，Co含量的增加会适当降低钢的韧性，在本发明中Co元素含量范围是10.0％-30.0％，优选为14.0％-30.0％。
W(钨)的熔点高，增加了钢的强度和回火稳定性，高温蠕变抗力、增加钢的抗回火软化能力，使得钢在加工和使用过程中表层升温少，硬度下降少，在本发明中W元素含量范围是0％-5.0％，优选为0％-3.0％。
Mo(钼)的作用于W相同，能够完全取代W，且价格比W低。另一方面Mo含量越高，则μ相的开始析出温度越高，μ相的颗粒度也就越大，在本发明中Mo元素含量范围是10％-28.0％，优选为10％-27.0％。
Cr(铬)加入到钢中作用，一是能够粗化颗粒，使得红硬性有所下降，提高可加工性；另一方面部分Cr固溶于基体中，能够提高钢的耐腐蚀性和淬透性。在本发明中Cr元素含量范围是2.0％-15.0％，优选为2.0％-12.0％。
V(矾)作为强碳化物形成元素，主要作用于是与钢中的形成MC型碳化物，提高钢的耐磨性，使得更多的Cr固溶于基体进一步提高耐磨性，为保证钢的强化机制仍以μ相为主，且保证钢的可磨削性，本发明中V元素含量范围是0.05％-2.0％，优选为0.05％-1.7％。
Si(硅)不是碳化物形成元素，而是作为一种脱氧剂和基体强化元素来使用，能够提高钢的强度和硬度，但是Si过多会使基体的塑性和韧性下降，本发明的Si含量控制在1.0％以下，且优选为≤0.8％。
作为上述方式的优选限定，按质量百分比计，所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢包括如下的化学组分：
C：0.1％-0.18％；
Si：0.3％-0.6％；
Cr：2.0％-12.0％；
V：0.05-1.7％；
Co：14.0％-30.0％；
W：0％-3.0％；
Mo：10％-27.0％；
(Mo+W/2)：10.0％-28.5％；
余量为铁和杂质。
为了达到更好的综合性能，本发明粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中的各化学组分应控制在要求范围之内。
进一步的，至少80％体积分数的所述μ相至的颗粒尺寸≤1.5μm，所述μ相的最大颗粒尺寸不超过6.0μm。
进一步的，所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中所述μ相的体积分数为15-28％。
进一步的，至少80％体积分数的所述MC碳化物的颗粒尺寸≤1.5μm，所述MC碳化物的最大颗粒尺寸不超过2.5μm。
进一步的，所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中所述MC碳化物体积分数为1.0％-3.0％。
本发明中，采用粉末冶金工艺制备沉淀硬化钢，能够解决元素偏析问题从而获得均一的组织结构，粉末冶金工艺制备沉淀硬化高速钢的主要步骤包括：雾化制粉→热等静压成型，钢液被快速冷却成粉末，钢液中的合金元素来不及偏析即完全凝固，粉末固结成材后组织细小均匀，相比传统铸造或电渣工艺生产的沉淀硬化高速钢，性能有大幅度提升。
本发明同时也提供了制备如上所述的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢的制备方法，且所述制备方法具体包括如下的步骤：
s1.按上述化学组成要求制备沉淀硬化钢钢液并转移至钢包；
s1.1.通过加热钢包内钢液上表面覆盖的保护渣，维持钢液的过热度；在钢包底部通入惰性气体对钢液进行搅拌；
s1.2.将钢液通过钢包底部的导流管以稳定流量流入预加热的中间包，待钢液进入中间包埋没导流管下端面时对钢液上表面施加保护渣；
s1.3.对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度；
s1.4钢液从中间包进入雾化室后采用惰性气体进行雾化制粉，得到的金属粉末沉降至雾化室底部，后进入具有保护气氛的储粉罐体，通过保护筛分装置对金属粉末进行筛分后再进入储粉罐体储存；
s1.5在惰性气体保护下，将储粉罐体内的金属粉末转移至热等静压包套，待金属粉末振动装填紧实后对热等静压包套进行真空脱气处理，对其端部进行封焊处理，随后进行热等静压处理使金属粉末完全致密固结，完成粉末冶金工艺。
上述的粉末冶金工艺包括非真空熔炼雾化制粉和热等静压环节，过程采用全流程保护，以控制氧含量及析出相形态，优化沉淀硬化钢性能。
钢包的保护渣具备隔绝空气及导电加热功能。钢包底部通过透气孔通入惰性气体，使钢包内部不同位置钢液温度均衡，同时加速有害夹杂的去除。钢包底部的导流管一方面对钢液起到导流作用，减少钢液流转过程中产生紊流，避免卷渣并防止夹杂进入下一环节，另一方面导流管避免钢液暴露于空气中，防止钢液氧含量升高。而在钢液进入中间包前，需要对中间包进行预加热，以防止钢液进入中间包时局部凝结或第二相提前析出。
储粉罐内部具有气氛保护和强制降温冷却功能，粉末保护筛分装置对粉末筛分过程起到保护作用同时防止粉末飘扬，储粉罐体与热等静压包套密封连接，热等静压包套在装粉前通入惰性气体排出空气，能够防止粉中的氧含量上升。
本发明沉淀硬化高速钢采用粉末冶金工艺制备，成分设计合理，制备过程中采取多种有效的保护手段防止钢液及粉末受到污染，为最终获得高性能沉淀硬化钢提供保障，且由于特定的化学组成和粉末冶金的快速冷凝工艺，形成类型为(Fe,Co)7(Mo+W/2)6的金属间化合物μ相更加细小、均匀，热处理后获得65HRC以上的硬度，具备出色硬度、抗回火软化性能和韧性配合，可以满足不用类型的应用需求。
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所制备的沉淀硬化高速钢的微结构图；
图2为本发明实施例2所制备的沉淀硬化高速钢的微结构图；
图3为本发明实施例4所制备的沉淀硬化高速钢的微结构图；
图4为本发明实施例5所制备的沉淀硬化高速钢的微结构图；
图5为本发明实施例6所制备的沉淀硬化高速钢的微结构图；
图6为本发明实施例7所制备的沉淀硬化高速钢的微结构图；
图7为本发明对比例A所制备的粉末冶金工艺耐蚀高速钢的微结构图；
图8为本发明对比例B所制备的电渣工艺工具钢的微结构图。
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。
本实发明涉及一组粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢，按质量百分比计其包括有如下的化学组分：C：0.1％-0.2％；Si：0.3％-0.8％；Cr：2.0％-15.0％；V：0.05-2.0％；Co：10.0％-30.0％；W：0％-5.0％；Mo：10％-28.0％；(Mo+W/2)：10.0％-31.0％；余量为铁和杂质。
作为优选的按质量百分比计，本发明的沉淀硬化高速钢包括如下的化学组分：C：0.1％-0.18％；Si：0.3％-0.6％；Cr：2.0％-12.0％；V：0.05-1.7％；Co：14.0％-30.0％；W：0％-3.0％；Mo：10％-27.0％；(Mo+W/2)：10.0％-28.5％；余量为铁和杂质。
本发明采用以上组分构成的沉淀硬化高速钢，可获得理想的组织和出色的性能以满足需求。
其次，本发明还涉及制备如上沉淀硬化高速钢的方法，在采用传统铸锭或电渣工艺进行制备，由于凝固速度缓慢，容易发生偏析而导致性能下降。故，为保证制得沉淀硬化高速钢锭成分组织均匀、析出相细小且纯净度高，采用粉末冶金工艺进行钢锭的制备，且再经过锻制获得所需的棒材产品。
具体来说，本发明的制备方法包括有如下的步骤：
s1.将本发明沉淀硬化钢钢液装入熔炼钢包中，钢液装载重量为1.5-8吨；
s1.1.采用石墨电极对钢包内钢液上表面覆盖的保护渣通电加热，钢包底部通入氩气或氮气对钢液进行搅拌，钢液过热度达到100-200℃打开钢液导流管；
s1.2.将钢液通过钢包底部的导流管以10-50Kg/min的流量流入预加热至800-1200℃的中间包，钢水进入中间包埋没导流管下端面时施加保护渣；
s1.3.雾化制粉过程中对中间包持续补偿加热，维持钢液的过热度维持在100-200℃；
s1.4钢液通过中间包底部进入雾化室，开启雾化气体喷射阀门，采用氮气作为气体介质进行雾化制粉，氮气纯度≥99.999％，氧含量≤2ppm，气体喷嘴出口压力为1.0-5.0MPa；钢液在氮气喷射作用下被破碎成液滴，同时快速冷却为金属粉末，飞行至雾化室底部，后进入具有保护气氛的储粉罐体；雾化制粉结束后待储粉罐体内金属粉末冷却到室温，通过保护筛分装置对金属粉末进行筛分；保护筛分装置腔体内部通有正压惰性保护气体，储粉罐内部为正压惰性气体保护气氛；
s1.5将储粉罐体内的金属粉末装填至热等静压包套，先向热等静压包套内通入惰性气体排出空气，随后密闭连接热等静压包套和储粉罐体，装填过程实施振动操作，增加金属粉末的装填密度；完成后对热等静压包套进行抽真空脱气处理，抽真空过程热等静压包套加热保温在200-600℃，脱气至0.01Pa后继续加热保温2h以上，随后对包套端部进行封焊处理，最后对包套进行热等静压处理，热等静压温度为1100-1180℃，在≥100MPa压力下保持时间≥1h后，使金属粉末完全致密固结，随后随炉冷却，完成粉末冶金工艺。
s2.锻打开坯
根据需要对本发明沉淀硬化高速钢进一步锻造变形，得到一定形状尺寸的棒材或锻件，采用不同热处理制度获得不同性能，所使用的热处理包括退火、固溶和时效。所述退火处理设计到将棒材或锻件加热到870-890℃，保温时间≥2h，随后以≤15℃/h的速度冷却至530℃以下，然后炉冷或静止空气空冷至50℃以下；固溶处理涉及将退火后的棒材或锻件在810℃-850℃温度预热，温度均匀后放入1170-1200℃的温度下保温15-40分钟后油冷；随后在580-650℃温度范围内进行时效，保温时间3-4小时，随后空冷至50℃。
下面将具体以具体制备实施例和对比例，以及对应的性能检测来进一步的说明本实发明的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢及其制备。
对本发明涉及的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢的第二相粒度和体积分数、热处理硬度、耐磨损性能和耐腐蚀性能进行验证，其中μ相和碳化物粒度和体积分数基于扫描电镜获取组织图像进行分析，热处理硬度、耐磨损性能和耐腐蚀性能分别参考GB/T 230.1、GB/T 12444、JB/T 7901和GB/T 17899进行测试。
通过上述制备方法得到实施例1至实施例8共八种具有不同成分组成的沉淀硬化高速钢，并与高Cr喷射成形工具钢(合金A)和铸锻工具钢(合金B)进行对比，其结果如下：
表1：合金成分
| 合金 | C | Si | Mn | Cr | Co | V | W | Mo | Mo+W/2 | Fe |
| 实施例1 | 0.12 | 0.41 | - | 4.98 | 15.61 | 0.32 | 0.01 | 25.45 | 25.45 | 余量 |
| 实施例2 | 0.16 | 0.39 | - | 4.05 | 14.74 | 0.20 | 0.01 | 22.24 | 22.24 | 余量 |
| 实施例3 | 0.12 | 0.41 | - | 4.98 | 15.61 | 0.32 | 2.0 | 20.0 | 21.0 | 余量 |
| 实施例4 | 0.10 | 0.30 | - | 2.0 | 10.0 | 0.05 | 0.0 | 10.0 | 10.0 | 余量 |
| 实施例5 | 0.20 | 0.80 | - | 15.0 | 30.0 | 2.0 | 5.0 | 28.0 | 31.5 | 余量 |
| 实施例6 | 0.10 | 0.30 | - | 2.0 | 14.0 | 0.05 | 0.0 | 10.0 | 10.0 | 余量 |
| 实施例7 | 0.18 | 0.60 | - | 12.0 | 30.0 | 1.7 | 3.0 | 27.0 | 28.5 | 余量 |
| 实施例8 | 0.19 | 0.70 | - | 13.0 | 13.0 | 1.8 | 4.0 | 27.6 | 29.6 | 余量 |
| 对比例A | 1.36 | 0.70 | 0.43 | 14.67 | 0.03 | 2.42 | 0.07 | 1.85 | 1.88 | 余量 |
表中的“-”表示不含有该元素，或该元素含量很少未做分析。
(一)微结构分析
基于扫描电镜获取组织图像，图1至图6分别是所制备的沉淀硬化钢锻件实施例1、实施例2、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7的微结构示意图，图7为合金A的微结构示意图，图8为合金B的微结构示意图。
显而易见的，图1至图6中灰白色的硬化相分弥散布在基体中，可显著提升材料的耐磨性、韧性和使用寿命。图7和图8中包含两种析出相，一类呈亮白色、尺寸较大，另一类灰白色、尺寸细小。
经热处理后实施例1至实施例8与合金A、B中析出相含量、粒度进行对，如表2所示：
表2：析出相的含量及粒度
实施例1至实施例8的固溶制度为1190℃x30分钟，时效制度为温度600℃，时间3小时；对比例A的淬火制度为温度1180℃，时间15分钟，回火制度为温度550℃，时间2小时，次数2次；对比例B的淬火制度为温度1185℃，时间15分钟，回火制度为温度550℃，时间1小时，次数3次。
对本发明中实施例1至实施例8中所制备的高速钢进行析出相分析：经检测实施例1至实施例8中的析出相主要为IMC和MC碳化物，其中IMC主要为μ相，类型为(Fe,Co)7(Mo+W/2)6，MC碳化物为V(C,N)型碳化物；经检测合金A和合金B中析出相主要为经检测强化相主要为富Cr的M6C型碳化物，此外还有MC型碳化物。
本发明沉淀硬化高速钢μ相体积分数达到15％-28％，粒度细小，大部分μ相粒度小于1.5μm，最大尺寸不超过6.0μm；MC碳化物至少80Vol％尺寸≤1.5μm，最大尺寸不超过2.5μm。这些析出相尺寸细小、分散度大，同时μ相还具有出色的抗高温聚集能力，因此使得材料获得更好的耐磨性、韧性和使用寿命。
采用粉末冶金工艺制备的A合金和传统电渣工艺制备的合金B中MC型碳化物尺寸与实施例接近，但组织中也存在数量较多、尺寸范围3-12μm的M6C型碳化物，粗大的碳化物具有割裂基体的不利影响。
(二)热处理硬度和耐磨损性能分析
为了验证热处理制度对本发明制备的沉淀硬化高速钢性能的影响，设置不同固溶温度和时效温度的热处理工艺对制备的棒材进行热处理。
对实施例1至实施例8中所制备的高速钢及合金A、B进行热处理，所得硬度、耐磨损性能对比结果如表3所示。
表3：力学性能对比
由表3可以看出，经过合适的热处理，本发明沉淀硬化高速钢硬度达到64HRC以上，能够满足应用领域的需求，耐磨损性能对比结果表明，本发明的沉淀硬化高速钢具有较好的耐磨损性能。
(三)耐腐蚀性能分析
采用5％HNO3+1％HCl溶液在室温条件下对实施例1至实施例8及合金A、B进行浸泡腐蚀，而后用测定其腐蚀速率。而后在1％NaCl溶液中测量其极化曲线，最终获得了自腐蚀电位，耐腐蚀性能对比结果如表4所示。
表4：耐腐蚀性能对比
由表4的对比数据可以看出，本发明的沉淀硬化钢表现出更优异的耐腐蚀性能。因本发明中的沉淀硬化钢中C含量非常少，基本不会与Cr以碳化物的形式析出，钢中的Cr元素绝大部分固溶于基体，能够获得较高的耐腐蚀性能。根据不同的应用场合对耐腐蚀性能的需求，应选择合适的热处理制度，在一个较宽的热处理温度范围内，本发明沉淀硬化高速钢能够兼具好的强韧配合和耐磨耐蚀性能，从而满足具有磨损及腐蚀工况场合的应用。
另外，由于析出相颗粒数量统计图像分析软件的限制，在以上实施条件下制备本发明的沉淀硬化钢，组织中可能存在个别μ相和MC碳化物的尺寸超过所述最大尺寸，但由于其数量极少，对沉淀硬化钢的韧性及其他力学性能不产生实质影响，因而可不予考虑。另有许多颗粒更加细小的μ相无法被分析软件识别，体积分数和颗粒度的统计结果仅作为对比。
由于本发明采用特定的合金成分设计以及采用粉末冶金工艺进行制备，在析出大量细小弥撒金属间化合物μ相含量的同时析出细小的MC碳化物，使得材料获得更好的强韧配比和耐磨耐蚀性，能够满足不同类型的应用需求，可用于制作(1)高速切削下、切削难加工材料的刀具；(2)高精密量具；(3)耐磨耐蚀零部件等。
综上所述，本发明的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢具备出色的综合性能，尤其是良好的耐磨耐蚀性能。因其合金成分特点，与传统高速钢强化机理存在区别，导致其抗回火软化能力大大优于传统高速钢及其他工具钢，同时具备高的耐磨耐蚀性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢，其特征在于，其化学组分按质量百分比计包括：
C：0.1％-0.2％；
Si：0.3％-0.8％；
Cr：2.0％-15.0％；
V：0.05-2.0％；
Co：10.0％-30.0％；
W：0％-5.0％；
Mo：10％-28.0％；
(Mo+W/2)：10.0％-31.0％；
余量为铁和杂质；
且，所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中析出相包括金属间化合物和MC碳化物，所述金属间化合物为μ相，μ相的类型为(Fe,Co)7(Mo+W/2)6型，MC碳化物的类型为V(C、N)型。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢，其特征在于，其化学组分按质量百分比计包括：
C：0.1％-0.18％；
Si：0.3％-0.6％；
Cr：2.0％-12.0％；
V：0.05-1.7％；
Co：14.0％-30.0％；
W：0％-3.0％；
Mo：10％-27.0％；
(Mo+W/2)：10.0％-28.5％；
余量为铁和杂质。
3.根据权利要求1或2所述的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢，其特征在于：至少80％体积分数的所述μ相至的颗粒尺寸≤1.5μm，所述μ相的最大颗粒尺寸不超过6.0μm。
4.根据权利要求1或2所述的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢，其特征在于：所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中所述μ相的体积分数为15-28％。
5.根据权利要求1或2所述的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢，其特征在于：至少80％体积分数的所述MC碳化物的颗粒尺寸≤1.5μm，所述MC碳化物的最大颗粒尺寸不超过2.5μm。
6.根据权利要求1或2所述的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢，其特征在于：所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中所述MC碳化物体积分数为1.0％-3.0％。
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