CN117564281B - 一种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，该制备方法包括：步骤1、选取高碳高合金高速钢母合金作为原料；步骤2、将母合金按照特定工艺在改进设备里进行雾化制粉；步骤3、惰性气体环境中储存，真空包装，得到低氧增量高碳高合金高速钢粉末。本发明通过选择合适的母合金，通过雾化工艺制备球形度良好、卫星粉、异形粉、空心粉、氧增量和杂质少的高品质高碳高合金高速钢粉末，可用于烧结和热等静压等。本发明可根据需求控制高速钢粉末各粒度段的分布比例，易实现工业化生产，可大规模流水线制备，适合高端特种粉末高速钢制件如特种刀具等的制备。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法。
背景技术
高碳高合金高速钢，顾名思义，即具有较高的碳含量和大量丰富的合金元素，与其它钢种具有明显的区别，物相成分含有大量的M6C（M为W、Fe和V等）、MC或M23C6等类型碳化物，因此具有十分优异的硬度和强度等性能，常用来制备刀具或螺杆等耐磨部件。然而，是否能制备出高品质高速钢粉末是制约企业发展相关产业的一大影响因素，高品质高速钢粉末是制备高性能粉末高速钢制件的关键原材料。高速钢粉末的形貌、粒径、粒度分布和纯度等因素极大影响着最终制件的性能。因此，自主研发出高品质高速钢粉末是解决我国在相关研究领域技术问题，且发展壮大、必不可少的重要环节。
高速钢粉末的品质主要取决于制备工艺。目前，市面上相关高碳高合金高速钢粉末的制备方法主要采用VIGA气雾化法（有坩埚的真空感应熔炼雾化法）和水雾化法等。其中，VIGA气雾化法粉末球形度高，粒度细小，氧含量低，可规模化生产，但含有少量空心粉或卫星粉；水雾化法细粉收得率高且成本低，冷却速度快，但氧含量高，形貌不规则。尽管等离子旋转电极雾化(PREP)工艺制备的粉末具有流动性好、含氧量低、粒度均匀和无空心粉等优点。但目前，利用PREP工艺制备高品质高碳高合金高速钢粉末尚未有相关的公开技术和可产业化的研究报道。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，以电渣重熔高碳高合金高速钢母合金为原料，将母合金采用等离子旋转电极雾化设备进行制粉，从而解决现有技术中气雾化高碳高合金高速钢粉末流动性差、卫星粉多、氧含量高等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
这种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选取高碳高合金高速钢母合金作为原料，所述高碳高合金高速钢母合金元素及其重量百分比如下：C：1.50-1.80wt.%、Cr：3.75-5.00wt.%、W：11.75-13.00wt.%、V：4.50-5.25wt.%、Co：4.75-5.25wt.%、Si：0.15-0.40wt.%、Mn：0.15-0.40wt.%、S：0-0.030wt.%、P：0-0.030wt.%、Mo：0-1.00wt.%、O：0-0.009wt.%，其余为Fe；所述高碳高合金高速钢母合金物相成分及其重量百分比为：M2C：0-20.60wt.%、MC：0-12.40wt.%、M6C：0-25.60wt.%、M23C6：0-5.80wt.%，其余为铁基体；
步骤2、将所述高碳高合金高速钢母合金安装在雾化设备里，按照指定的旋转速度进行雾化制粉得到高碳高合金高速钢粉末；
步骤3、将所述高碳高合金高速钢粉末置于惰性气体环境中储存、真空包装，得到氧增量为10-50ppm的成品粉末。
进一步，所述高碳高合金高速钢母合金中铁基体里合金元素及其重量百分比为：V：1.20-3.00wt.%、Cr：2.00-5.20wt.%、Co：4.00-8.00wt.%、W：1.50-6.00wt.%。
进一步，所述高碳高合金高速钢母合金为直径为50-90mm的高碳高合金高速钢棒材。
进一步，步骤2中，所述雾化设备中雾化气体里氦气和氩气的体积比为4:1-19:1，电压60-70V，电流800-1200A，进给速度0.3-0.4mm/s，枪压1.8-1.9bar，腔体真空度1×10-4-1×10-3Pa；旋转速度200-500r/s。
进一步，步骤2中，所述雾化设备中连接真空设备的管道入口处安装有过滤芯和磁吸装置，靠近出粉口位置安装有多级挡粉筛板。
进一步，所述挡粉筛板上还安装有振动装置。
进一步，所述挡粉筛板包括第一级挡粉筛板和第二级挡粉筛板，所述第一级挡粉筛板为10-30目，所述第二级挡粉筛板为30-100目。
进一步，所述步骤3具体为：
将所述高碳高合金高速钢粉末放入高纯氩气罐中储存，随后真空包装，得到成品粉末。
进一步，所述真空包装是在高纯氩气置换箱中进行，所述高纯氩气置换箱中氩气的纯度为99.99%以上，真空度≤1×10-3Pa。
进一步，所述高纯氩气置换箱内的水含量为50-350ppm，氧含量为100-1000ppm。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：
1)现有的高碳高合金高速钢粉末普遍采用VIGA工艺制备，本发明创新地采用等离子旋转电极雾化工艺制备低氧增量高碳高合金高速钢粉末，并且能够制备出具有球形度良好、异形粉少和空心粉少等优势的高品质高碳高合金高速钢粉末；
2)与气雾化法制备高碳高合金高速钢粉末相比，本发明以等离子旋转电极雾化工艺制备高碳高合金高速钢粉末，全程高纯惰性气体或高真空保护，具备氧增量低和引入杂质少等特点；
3)本发明制备的高碳高合金高速钢粉末与源头棒材的成分种类和含量范围一致，成分含量波动小，从工艺参数上保证了高速钢粉末的优良性；且低氧增量高品质高碳高合金高速钢粉末，可用于烧结和热等静压等，进一步从源头上保证制件的质量；
4)本发明提供的技术方案易于实现工业化生产，可大规模流水线制备，且制得的低氧增量高品质高碳高合金高速钢粉末适合高端特种粉末高速钢制件如特种刀具等的制备。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法流程图；
图2为本发明实施例1中高速钢粉末的扫描电镜图片图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
参见图1所示，本实施例提供了一种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选择电渣重熔母合金高碳高合金高速钢棒材为原料；所述高碳高合金高速钢棒材的合金元素及其重量百分比如下：C：1.80wt.%、Cr：5.00wt.%、W：13.00wt.%、V：5.25wt.%、Co：5.25wt.%、Si：0.40wt.%、Mn：0.40wt.%、S：0.030wt.%、P：0.030wt.%、Mo：1.00wt.%、O：0.009wt.%，其余为Fe；所述高碳高合金高速钢棒材的合金物相成分及其重量百分比为：M2C：20.60wt.%、M6C：0-25.60wt.%，其余为铁基体；所述高碳高合金高速钢棒材的铁基体里合金元素及其重量百分比为：V：3.00wt.%、Cr：5.20wt.%、Co：8.00wt.%、W：6.00wt.%。
步骤2、将步骤1中的高碳高合金高速钢棒材安装在雾化设备里，按照一定的旋转速度进行雾化制粉；所述高碳高合金高速钢棒材的直径为90mm，旋转速度为500r/s，雾化气体里氦气和氩气的体积比为19:1，电压70V，电流1200A，进给速度0.4mm/s，枪压1.9bar，腔体真空度1×10-3Pa；
并且，雾化设备中连接真空设备的管道入口处安装过滤芯和磁吸装置，用以防止粉尘进入真空设备和残留在管道里，从而减少对真空设备的损伤和防止粉尘锈在管道内壁不易清理；靠近出粉口位置安装两级挡粉筛板，并在所述挡粉筛板上加装振动装置以增加下粉速度；所述两级挡粉筛板包括：第一级挡粉筛板，其为30目数，用以防止粉末受潮结块堵住下粉口，起到一定的破碎粉末结块的作用；第二级挡粉筛板，其为100目数，用以去除较大粉末渣子，获得所需粉末。
步骤3、将步骤2中得到的粉末放入高纯氩气罐中储存，随后真空包装，得到一种高品质的高碳高合金高速钢粉末，氧增量仅为50ppm；所述真空包装过程在高纯氩气置换箱中进行，水含量为350ppm，氧含量为1000ppm。
对本实施例中高碳高合金高速钢粉末的扫描电镜图片及其相应的元素面扫描分布图进行分析可知：本实施例中的粉末球形度良好，基本无卫星粉和异形粉，与棒材所含元素类别一致，含有C、Fe、W、Co、Cr、V、Mo、Mn、Si、P、S和O。其中，Fe、W、Co、Cr、V、Mo、Mn、Si、P和S的含量波动很小。此外，实际检测O含量，平均O增量仅为50ppm。而VIGA气雾化方式O增量在200ppm以上，在后面制件的制备中容易形成夹杂氧化物。
实施例2
本实施例提供了一种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选择电渣重熔母合金高碳高合金高速钢棒材为原料；所述高碳高合金高速钢棒材的合金元素及其重量百分比如下：C：1.50wt.%、Cr：3.75wt.%、W：11.75wt.%、V：4.50wt.%、Co：4.75wt.%、Si：0.15wt.%、Mn：0.15wt.%，其余为Fe；所述高碳高合金高速钢棒材的合金物相成分及其重量百分比为：MC：12.40wt.%、M23C6：5.80wt.%，其余为铁基体；所述高碳高合金高速钢棒材的铁基体里合金元素及其重量百分比为：V：1.20wt.%、Cr：2.00wt.%、Co：4.00wt.%、W：1.50wt.%。
可选地，电渣重熔母合金高碳高合金高速钢棒材可替换为轧制或锻造高碳高合金高速钢棒材。
步骤2、将步骤1中的高碳高合金高速钢棒材安装在雾化设备里，按照一定的旋转速度进行雾化制粉；所述高碳高合金高速钢棒材的直径为50mm，旋转速度为200r/s，雾化气体里氦气和氩气的体积比为4:1，电压60V，电流800A，进给速度0.3mm/s，枪压1.8bar，腔体真空度1×10-4Pa；
并且，雾化设备中连接真空设备的管道入口处安装过滤芯和磁吸装置，用以防止粉尘进入真空设备和残留在管道里，从而减少对真空设备的损伤和防止粉尘锈在管道内壁不易清理；靠近出粉口位置安装两级挡粉筛板，并在所述挡粉筛板上加装振动装置以增加下粉速度；所述两级挡粉筛板包括：第一级挡粉筛板，其为30目数，用以防止粉末受潮结块堵住下粉口，起到一定的破碎粉末结块的作用；第二级挡粉筛板，其为100目数，用以去除较大粉末渣子，获得所需粉末。
步骤3、将步骤2中得到的粉末放入高纯氩气罐中储存，随后真空包装，得到一种高品质的高碳高合金高速钢粉末，氧增量仅为10ppm；所述真空包装过程在高纯氩气置换箱中进行，水含量为50ppm，氧含量为100ppm。
实施例3
本实施例提供了一种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选择电渣重熔母合金高碳高合金高速钢棒材为原料；所述高碳高合金高速钢棒材的合金元素及其重量百分比如下：C：1.65wt.%、Cr：4.375wt.%、W：12.375wt.%、V：4.875wt.%、Co：5.00wt.%、Si：0.275wt.%、Mn：0.275wt.%、S：0.015wt.%、P：0.015wt.%、Mo：0.50wt.%、O：0.0045wt.%，其余为Fe；所述高碳高合金高速钢棒材的合金物相成分及其重量百分比为：M2C：10.30wt.%、MC：6.20wt.%、M6C：12.80wt.%、M23C6：2.90wt.%，其余为铁基体；所述高碳高合金高速钢棒材的铁基体里合金元素及其重量百分比为：V：2.10wt.%、Cr：3.60wt.%、Co：6.00wt.%、W：3.75wt.%。
步骤2、将步骤1中的高碳高合金高速钢棒材安装在雾化设备里，按照一定的旋转速度进行雾化制粉；所述高碳高合金高速钢棒材的直径为70mm，旋转速度为350r/s，雾化气体里氦气和氩气的体积比为7:1，电压65V，电流1000A，进给速度0.35mm/s，枪压1.85bar，腔体真空度5.5×10-4Pa；
并且，雾化设备中连接真空设备的管道入口处安装过滤芯和磁吸装置，用以防止粉尘进入真空设备和残留在管道里，从而减少对真空设备的损伤和防止粉尘锈在管道内壁不易清理；靠近出粉口位置安装两级挡粉筛板，并在所述挡粉筛板上加装振动装置以增加下粉速度；所述两级挡粉筛板包括：第一级挡粉筛板，其为20目数，用以防止粉末受潮结块堵住下粉口，起到一定的破碎粉末结块的作用；第二级挡粉筛板，其为65目数，用以去除较大粉末渣子，获得所需粉末。
步骤3、将步骤2中得到的粉末放入高纯氩气罐中储存，随后真空包装，得到一种高品质的高碳高合金高速钢粉末，氧增量仅为30ppm；所述真空包装过程在高纯氩气置换箱中进行，水含量为200ppm，氧含量为550ppm。
实施例4
本实施例提供了一种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选择电渣重熔母合金高碳高合金高速钢棒材为原料；所述高碳高合金高速钢棒材的合金元素及其重量百分比如下：C：1.60wt.%、Cr：4.00wt.%、W：12.00wt.%、V：5.20wt.%、Co：5.10wt.%、Si：0.20wt.%、Mn：0.30wt.%、S：0.010wt.%、P：0.020wt.%、Mo：0.20wt.%、O：0.001wt.%，其余为Fe；所述高碳高合金高速钢棒材的合金物相及其重量百分比为：M2C：12.00wt.%、MC：3.00wt.%、M6C：8.00wt.%、M23C6：1.00wt.%，其余为铁基体；所述高碳高合金高速钢棒材的铁基体里合金元素及其重量百分比为：V：1.20-3.00wt.%、Cr：2.00-5.20wt.%、Co：4.00-8.00wt.%、W：1.50-6.00wt.%。
步骤2、将步骤1中的高碳高合金高速钢棒材安装在雾化设备里，按照一定的旋转速度进行雾化制粉；所述高碳高合金高速钢棒材的直径为55mm，旋转速度为250r/s，雾化气体里氦气和氩气的体积比为9:1，电压66V，电流1100A，进给速度0.32mm/s，枪压1.81bar，腔体真空度2×10-3Pa；
并且，雾化设备中连接真空设备的管道入口处安装过滤芯和磁吸装置，用以防止粉尘进入真空设备和残留在管道里，从而减少对真空设备的损伤和防止粉尘锈在管道内壁不易清理；靠近出粉口位置安装两级挡粉筛板，并在所述挡粉筛板上加装振动装置以增加下粉速度；所述两级挡粉筛板包括：第一级挡粉筛板，其为15目数，用以防止粉末受潮结块堵住下粉口，起到一定的破碎粉末结块的作用；第二级挡粉筛板，其为50目数，用以去除较大粉末渣子，获得所需粉末。
步骤3、将步骤2中得到的粉末放入高纯氩气罐中储存，随后真空包装，得到一种高品质的高碳高合金高速钢粉末，氧增量仅为20ppm；所述真空包装过程在高纯氩气置换箱中进行，水含量为100ppm，氧含量为200ppm。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、选取高碳高合金高速钢母合金作为原料，所述高碳高合金高速钢母合金元素及其重量百分比如下：C：1.50-1.80wt.%、Cr：3.75-5.00wt.%、W：11.75-13.00wt.%、V：4.50-5.25wt.%、Co：4.75-5.25wt.%、Si：0.15-0.40wt.%、Mn：0.15-0.40wt.%、S：0-0.030wt.%、P：0-0.030wt.%、Mo：0-1.00wt.%、O：0-0.009wt.%，其余为Fe；所述高碳高合金高速钢母合金物相成分及其重量百分比为：M2C：0-20.60wt.%、MC：0-12.40wt.%、M6C：0-25.60wt.%、M23C6：0-5.80wt.%，其余为铁基体；所述高碳高合金高速钢母合金中铁基体里合金元素及其重量百分比为：V: 1.20-3.00wt.%、Cr: 2.00-5.20wt.%、Co: 4.00-8.00wt.%、W: 1.50-6.00wt.%；
步骤2、将所述高碳高合金高速钢母合金安装在等离子旋转电极雾化设备里，按照指定的旋转速度进行雾化制粉得到高碳高合金高速钢粉末；所述雾化设备中雾化气体里氦气和氩气的体积比为4:1-19:1，电压60-70V，电流800-1200A，进给速度0.3-0.4mm/s，枪压1.8-1.9bar，腔体真空度1×10-4-1×10-3Pa；旋转速度为200-500r/s；
步骤3、将所述高碳高合金高速钢粉末置于惰性气体环境中储存、真空包装，得到氧增量为10-50ppm的成品粉末。
2.根据权利要求1所述的低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，其特征在于，所述高碳高合金高速钢母合金为直径为50-90mm的高碳高合金高速钢棒材。
3.根据权利要求1所述的低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述雾化设备中连接真空设备的管道入口处安装有过滤芯和磁吸装置，靠近出粉口位置安装有多级挡粉筛板。
4.根据权利要求3所述的低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，其特征在于，所述挡粉筛板上还安装有振动装置。
5.根据权利要求4所述的低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，其特征在于，所述挡粉筛板包括第一级挡粉筛板和第二级挡粉筛板，所述第一级挡粉筛板为10-30目，所述第二级挡粉筛板为30-100目。
6.根据权利要求1所述的低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
将所述高碳高合金高速钢粉末放入高纯氩气罐中储存，随后真空包装，得到成品粉末。
7.根据权利要求6所述的低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，其特征在于，所述真空包装是在高纯氩气置换箱中进行，所述高纯氩气置换箱中氩气的纯度为99.99%以上，真空度≤1×10-3Pa。
8.根据权利要求7所述的低氧增量高碳高合金高速钢粉末的制备方法，其特征在于，所述高纯氩气置换箱内的水含量为50-350ppm，氧含量为100-1000ppm。
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