CN1958833A - 一种喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
一种喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，包括以下步骤：先制备高合金冷作模具钢合金钢液，其成分(重量％)为：1.45～1.55C，7.8～8.2Cr，3.9～4.1V，1.4～1.6Mo，0.9～1.1Si，0.3～0.5Mn，余Fe；当合金钢液达到规定的过热度后，采用惰性气体雾化沉积的方法获得高合金冷作模具钢坯件。本发明的特点在于：(1)采用雾化沉积，获得坯件的显微组织细小、均匀，不存在宏观偏析，晶粒尺寸在2～10μm范围内；(2)具有优良显微组织，无需锻造变形就可直接进行热轧加工；(3)成功地解决了传统工艺无法避免的共晶莱氏体出现的问题；(4)与粉末冶金方法相比，生产工序得到简化，成本和能耗明显降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法。
背景技术
喷射沉积是在粉末冶金气体雾化制粉基础上发展起来的一种近终形、半固态冶金成形加工技术。它既能克服传统的冶铸过程带来的晶粒粗大、成份偏析严重、有粗大的网状碳化物等缺陷，又可免除粉末冶金的制粉、压制、烧结等多道工序。喷射沉积技术逐渐成为材料科学与工程界的研究和产业化发展的热点之一。
喷射沉积技术制备的材料具有快速凝固材料的一系列特点，即显微组织均匀细小，无宏观偏析，无粗大网状碳化物，可固溶过饱和合金元素等。喷射沉积技术兼有半固态加工技术特点，不仅没有传统铸锭内的冶金缺陷，也不存在像堆焊和热喷涂等这类表面加工技术中不可避免的表面缺陷。由于上述特点，喷射沉积技术在制备高合金钢方面，优势十分显著和突出。
Cr12MoV是通用的冷作模具钢，钢中碳和铬含量均较高，采用传统冶铸工艺生产，无法避免成分偏析、碳化物聚集以及出现不利于后续加工的共晶莱氏体组织，因此，须要对其进行变向反复锻造，才能降低或改善上述缺陷。另外，在后续热处理方面，也需要采用较高的淬火温度和多次回火工艺。可见，采用这种方法制作高合金冷作模具钢，其工艺复杂，能耗、成本高，且最终的产品质量很不稳定。
采用适当的微合金化，使高合金冷作模具钢经热处理后既保持原有的高硬度，又具有高韧性，且制作的冷作模具在使用过程中不易发生脆性断裂，雍歧龙等人的专利(专利号：94113823.2)介绍了这方面的研究工作。戚正风等人的专利(专利号：96107821.9)提供了一种新型无莱氏体高合金冷作模具钢，这种钢的铬含量低于Cr12MoV，钼含量与Cr12MoV相当，钒含量则高于Cr12MoV，碳含量远低于Cr12MoV，由于碳含量低，故在铸锭冷凝时不形成共晶莱氏体，因而不存在碳化物偏析及粗大碳化物。其不足是由于碳含量有较大幅度的降低，使得这种新型的冷作模具钢的强度和耐磨性受到一定的影响。
国内成功开发的中铬型铬钼钒LD冷作模具钢，在成分设计上作了合理调整，适当调低碳和铬含量，在保证淬火后有较多马氏体和适量的碳化物以达到高强度、高耐磨性的同时，过剩碳化物含量则大为降低，韧性由此得到改善和提高，并能保证足够的淬透性。LD钢由于在成分上作了合理调整，使得其综合性能明显优于Cr12MoV钢，但用其制作的模具使用在某些要求强度和耐磨性更高的场合，仍然显得不足而难以满足需求。国内研制的另一个较出名的GM冷作模具钢，其成分特点是，降低形成大块碳化物和碳化物偏析的铬的含量，适当增加Mo和V的含量以提高钢的二次硬化效果，同时加入一定量的钨元素，以提高钢的回火稳定性。但是，GM钢的磨削性能稍差些，切削时对刀具的磨损是Cr12MoV钢的1.5倍，另外，在某些强度要求更高的工况下，GM钢显得有点不足。
近年，国内外发展了各种先进的少(无)切削工艺和高效率的成形设备，因此对模具材料的性能要求越来越高，特别是耐磨性和韧性的要求，更为苛刻。在相应提高碳和合金含量的情况下，再采用常规的冶铸工艺生产这类冷作模具钢，会带来众多难以避免的问题，从而影响钢的实际使用性能。因此，若要生产高耐磨高韧性的高合金冷作模具钢，目前只能采用粉末冶金工艺。
粉末冶金的工艺流程包括：熔炼-雾化-粉末筛分-粉末混批-粉末封装(压制)-热等静压(或烧结)-热锻(或热轧)-拆封。可见其工序较多，且热等静压工艺设备的投资相当大，成本很高。
发明内容
鉴于目前高合金冷作模具钢生产工艺中存在的问题，本发明的目的在于：提供一种喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，由本发明得到的高合金冷作模具钢，具有细小、均匀、等轴晶的显微组织，这种具有优良显微组织的高合金冷作模具钢，无需锻造变形就直接可以进行热轧加工。
本发明采用与传统工艺和粉末冶金工艺有明显区别的喷射沉积工艺，直接获得了具有优良显微组织的高合金冷作模具钢。
本发明的喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，其步骤如下：
a)制备高合金冷作模具钢合金钢液，其成分(重量百分比)为：
C 1.45～1.55，Cr 7.8～8.2，V 3.9～4.1，Mo 1.4～1.6，Si 0.9～1.1，Mn 0.3～0.5，余Fe；
b)采用喷射沉积工艺制作高合金冷作模具钢坯件
采用惰性气体将从导液管流出的金属液流进行粉碎、雾化；雾化气体压力：静态压力为1.8～2.8Mpa，动态压力为1.7～2.5Mpa；雾化气体流量：0.13～4.0m3/min；熔融金属流量：4～15kg/min；
c)雾化后的金属颗粒沉积到沉积基板上聚集长大，从而获得高合金冷作模具钢坯件。
其中，采用惰性气体为氩气或氮气。
喷射雾化时金属熔液过热度为150～250℃；导液管直径为2.5～4.5mm；喷射距离为350～550mm；沉积器基板转速为5～15rpm。
本发明的特点或有益效果：
本发明工艺流程是熔炼-喷射沉积-热锻(或热轧)，与粉末冶金工艺相比，该工艺具有明显的竞争优势，即在产品性能相当的条件下，生产工序得到简化，制造成本和能耗显著降低，并且便于实际推广应用。
还需要特别强调的是，本发明提供的喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法所涉及的热锻(或热轧)工序的主要目的是将喷铸件进行致密化处理，所需变形量较小，与传统的热锻(或热轧)在变形量及目的方面完全不同。并且，采用该工艺所制作的冷作模具钢具有与粉末冶金冷作模具钢相媲美的组织特性。
喷射雾化过程具有高气体自脉动性、高气体冲击力、高冷却速度和低气液比的特点，雾化颗粒细小、均匀。
采用的雾化喷嘴，其冷态测定的气流特征如下(气体流量为0.16Nm3/min，气体静态压力2.0Mpa时)：
| 测试项目 | I型喷嘴 | II型喷嘴 |
| 100mm处中心气流速度m/s | 238.4 | 229.2 |
| 100mm处气流扩展范围mm | 25 | 30 |
| 500mm处中心气流速度m/s | 49.8 | 51.5 |
| 500mm处气流扩展范围mm | 70 | 84 |
制备的高合金冷作模具钢成功地解决了传统工艺无法避免的共晶莱氏体出现的问题，其显微组织细小、均匀，不存在宏观偏析，晶粒尺寸在2～10μm范围内；
这种具有优良显微组织的高合金冷作模具钢，无需锻造变形就直接可以进行热轧加工；
与粉末冶金方法相比，采用喷射沉积这一近终形冶金加工技术生产高合金冷作模具钢，生产工序得到简化，成本和能耗明显降低。
本发明选择的高合金冷作模具钢，其合金成分类似于著名的Vanadis4高合金冷作模具钢，目前只能采用粉末冶金工艺生产，国内依靠进口来满足市场需求。Vanadis4冷作模具钢具有很高的附加值，用途十分广泛，其进口价格十分昂贵(进口价约：55万/吨)。因此，本发明的喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，具有很强的市场应用背景和实际推广的重要意义。
附图说明
图1为冶金铸造高合金冷作模具钢的显微组织；
图2为喷射沉积高合金冷作模具钢的显微组织。
具体实施方式
实施例1
(1)制备高合金冷作模具钢中间合金：用中频真空感应炉冶炼高合金冷作模具钢中间合金，其合金成分(重量％)为：1.52C，8.2Cr，4.0V，1.48Mo，1.1Si，0.37Mn，余Fe，并浇铸到经过烘烤的用耐火材料制作的多孔模中，获得供喷射沉积用中间合金棒料；
(2)喷射沉积高合金冷作模具钢的制备：将高合金冷作模具钢中间合金棒料装入喷射沉积中频感应炉内重熔，熔液过热度为220℃，采用雾化、喷射、沉积方法获得高合金冷作模具钢坯件，喷射沉积工艺参数选择如下：雾化气体：氮气；静态雾化压力：2.0Mpa；导液管直径：3mm；雾化气体流量：0.16m3/min；液态冷作模具钢金属流量：6.5kg/min；喷射距离：360mm；基板转速：8rpm。
实施例2
(1)制备高合金冷作模具钢中间合金：用中频真空感应炉冶炼高合金冷作模具钢中间合金，其合金成分(重量％)为：1.51C，8.01Cr，3.9V，1.4Mo，1.0Si，0.4Mn，余Fe，并浇铸到经过烘烤的用耐火材料制作的多孔模中，获得供喷射沉积用中间合金棒料；
(2)喷射沉积高合金冷作模具钢的制备：将高合金冷作模具钢中间合金棒料放入喷射沉积中频感应炉内重熔，熔液过热度为210℃，采用雾化、喷射、沉积方法获得高合金冷作模具钢坯件，喷射沉积工艺参数选择如下：雾化气体：氮气；静态雾化压力：2.2Mpa；导液管直径：3.2mm；雾化气体流量：0.17m3/min；液态冷作模具钢金属流量：6.7kg/min；喷射距离：380mm；基板转速：10rpm。
实施例3
(1)制备高合金冷作模具钢中间合金：用中频真空感应炉冶炼高合金冷作模具钢中间合金，其合金成分(重量％)为：1.48C，7.9Cr，4.03V，1.52Mo，1.06Si，0.44Mn，余Fe，并浇铸到经过烘烤的用耐火材料制作的多孔模中，获得供喷射沉积用中间合金棒料；
(2)喷射沉积高合金冷作模具钢的制备：将高合金冷作模具钢中间合金棒料放入喷射沉积中频感应炉内重熔，熔液过热度为190℃，采用雾化、喷射、沉积方法获得高合金冷作模具钢坯件，喷射沉积工艺参数选择如下：雾化气体：氮气；静态雾化压力：2.7Mpa；导液管直径：4.1mm；雾化气体流量：0.21m3/min；液态冷作模具钢金属流量：8.2kg/min；喷射距离：420mm；基板转速：14rpm。
参见图1、图2，图1显示真空感应炉熔炼、浇铸获得的高合金冷作模具钢的显微组织，由图可见，成分偏析十分严重，呈现典型的网状碳化物和共晶莱氏体组织特征。
图2为喷射沉积高合金冷作模具钢喷射态试样的显微组织，如图所示，其组织非常均匀，呈等轴状的晶粒十分细小，未见共晶莱氏体偏析组织。
其它实施例见下表：
| 实施例4 | 化学成分(重量百分比％) | |||||||
| C | Cr | V | Mo | Si | Mn | Fe | ||
| 1.46 | 7.9 | 4.10 | 1.57 | 1.06 | 0.50 | 余Fe | ||
| 工艺参数 | ||||||||
| 过热度℃ | 雾化气体 | 静态压力Mpa | 导液管径mm | 气体流量m3/min | 金属流量kg/min | 喷射距离mm | 基板转速rpm | |
| 153 | 氮气 | 2.7 | 4.4 | 0.21 | 5.2 | 350 | 14 | |
| 实施例5 | 化学成分(重量百分比％) | |||||||
| C | Cr | V | Mo | Si | Mn | Fe | ||
| 1.45 | 7.8 | 4.0 | 1.60 | 0.90 | 0.30 | 余Fe | ||
| 工艺参数 | ||||||||
| 过热度℃ | 雾化气体 | 静态压力Mpa | 导液管径mm | 气体流量m3/min | 金属流量kg/min | 喷射距离mm | 基板转速rpm | |
| 240 | 氩气 | 1.9 | 2.6 | 0.15 | 4.4 | 500 | 6 | |
Claims (6)
1.一种喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，其步骤如下，
a)制备高合金冷作模具钢合金钢液，其成分重量百分比为：
C 1.45～1.55，Cr 7.8～8.2，V 3.9～4.1，Mo 1.4～1.6，Si 0.9～1.1，Mn 0.3～0.5，余Fe；
b)采用喷射沉积工艺制作高合金冷作模具钢坯件：
采用惰性气体将从导液管流出的合金熔液流进行粉碎、雾化；雾化气体压力：静态压力为1.8～2.8Mpa，动态压力为1.7～2.5Mpa；雾化气体流量：0.13～4.0m3/min；熔融金属流量：4～15kg/min；
c)雾化后的金属颗粒沉积到沉积基板上聚集长大，从而获得高合金冷作模具钢坯件。
2.如权利要求1所述的喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，其特征在于，采用惰性气体为氩气或氮气。
3.如权利要求1所述的喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，其特征在于，喷射雾化时金属熔液的过热度为150～250℃。
4.如权利要求1所述的喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，其特征在于，导液管直径为2.5～4.5mm。
5.如权利要求1所述的喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，其特征在于，喷射距离为350～550mm。
6.如权利要求1所述的喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，其特征在于，沉积器基板转速为5～15rpm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009121290A1 (zh) * | 2008-03-31 | 2009-10-08 | 芬兰国家技术研究中心(Vtt) | 精密喷射成形-逐层碾压修复和制造设备 |
| CN114850436A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-08-05 | 上海交通大学 | 一种高碳高合金钢的碳化物细化方法 |
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2005
- 2005-10-31 CN CNB2005100309266A patent/CN100473750C/zh active Active
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| WO2009121290A1 (zh) * | 2008-03-31 | 2009-10-08 | 芬兰国家技术研究中心(Vtt) | 精密喷射成形-逐层碾压修复和制造设备 |
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