一種無鈷高速鋼的噴射成型制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無鈷高速鋼的噴射成型制備方法，該高速鋼的化學(xué)成分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)由下列組份組成：C?1.5-1.7％，Cr?4.4-4.8％，Mo?4.8-5.2％，W?7.0-7.4％，V?3.2-3.6％，Nb?0.6-1.0％，Ti?0.2-0.4％，Si?0.5-0.7％，Mn?0.1-0.3％，N?0.06-0.1％，S≤0.03％，P≤0.03％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；所述的制備方法包括如下步驟：1）配料工序；2）熔化工序；3）噴射成型；4）空冷工序；5）退火工序；6）熱鍛工序，7）淬火回火工序。
【專利說明】一種無鈷高速鋼的噴射成型制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼鐵冶金【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種無鈷高速鋼的噴射成型制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]高速鋼是一種高合金鋼，熱處理后具有高熱硬性，當(dāng)切削溫度高達(dá)600°C以上時(shí)，硬度仍無明顯下降，用其制造的刀具切削速度可達(dá)每分鐘60米以上，其硬度為63-65HRC。但聞速鋼中通常都含有Co兀素，由于Co價(jià)格昂貴,導(dǎo)致聞速鋼價(jià)格昂貴。
[0003]高速鋼的制造方法有兩種，一為傳統(tǒng)的鋼錠澆鑄，另一種則為利用粉末冶金方法制造。鋼錠澆鑄通常又分為二次精煉(EAF+LF+VD)或電渣重熔(ESR)兩類，上述方法中由于金屬液緩慢冷卻，造成合金的不均勻偏析和合金碳化物的粗大，從而影響到高速鋼的性能。雖然后續(xù)的熱作處理可改變及細(xì)化鋼錠的鑄造組織，減低不良影響，但卻無法消除原有的鑄造組織，因而對物理及機(jī)械性質(zhì)有負(fù)面的影響。為改善傳統(tǒng)高速鋼的質(zhì)量，特別是希望大直徑高速鋼碳化物顆粒尺寸能夠細(xì)小且分布均勻，阻止偏析產(chǎn)生，使得橫向及縱向的機(jī)械性質(zhì)勻一無差別。1965年,熔爐斯伯公司(Crucible)率先生產(chǎn)出一種組織均勻無方向性的鋼種。發(fā)展至今，粉末冶金制程已成為當(dāng)今制造高性能工具鋼的主要方法。其主要原理是將已調(diào)配好合金成份的高溫熔融鋼液，在流出時(shí)加以高壓氮?dú)忪F化，使其快速凝固成均勻的粉末顆料，然后經(jīng)過篩選并充填到已抽真空且密封的圓柱形鋼瓶中，進(jìn)行熱均壓(HIP)，使鋼瓶內(nèi)的顆粒成為完全密實(shí)的材料，再直接經(jīng)由傳統(tǒng)鍛造、輥軋成不同形狀產(chǎn)品，如:圓棒、板材、片材和線材，以供工業(yè)界使用。
[0004]由于生產(chǎn)粉末高速鋼具有較高的技術(shù)要求，目前全世界粉末高速鋼的生產(chǎn)廠家并不多，主要集中在美國、歐洲及日本，具有代表性的有美國熔爐斯伯(Crucible)，歐洲(ASSAB、Soderfors、Erasteel、Bohler> DSS、Carpenter),日本(Hitach1、Dai do、Nach1、Kobe)。但是，粉末冶金的工序`相當(dāng)復(fù)雜，包括:熔煉、霧化、篩分、混批、封裝、冷等靜壓、熱等靜壓、熱鍛或熱軋、接觸封裝、熱處理等過程。這些工序進(jìn)行過程中，需要熱等靜壓等設(shè)備昂貴的投資以及霧化裝置的尺寸要求比較大，而且粉末冶金材料的收得率比較低，能源利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種無鈷高速鋼的噴射成型制備方法，該高速鋼中不含Co元素，降低了原材料的成本，并且不采用傳統(tǒng)的熔鑄和粉末冶金的方法，既提高了性能，又進(jìn)一步降低了制造的成本。
[0006]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種無鈷高速鋼的噴射成型制備方法，該高速鋼的化學(xué)成分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)由下列組份組成:C 1.5-1.7%, Cr 4.4-4.8%, Mo 4.8-5.2%, W 7.0-7.4%, V 3.2-3.6%,Nb 0.6-1.0%, Ti 0.2-0.4%, Si 0.5-0.7%, Mn 0.1-0.3%, N 0.06-0.1%, S ^ 0.03%,P^0.03%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；所述的制備方法包括如下步驟:[0008]I)配料工序:按照合金的成分進(jìn)行配料；
[0009]2)熔化工序:將混合好的配料放入霧化沉積設(shè)備熔煉室的真空感應(yīng)爐內(nèi)加熱到高于合金熔點(diǎn)1710-1730°C，保溫10-20分鐘，使感應(yīng)爐內(nèi)高速鋼熔體的成分和溫度達(dá)到均勻一致，然后把高速鋼熔體倒入已經(jīng)被加熱的中間包中，中間包的溫度高于高速鋼熔點(diǎn)1700-1720°C ；
[0010]3)噴射成型:將中間包中的高速鋼熔體通過霧化噴嘴噴射到沉積室內(nèi)，霧化壓力
2-3MPa，霧化氣體為純度> 99.9%的N2氣，霧化的熔滴飛行并沉積在以35-45轉(zhuǎn)/分速度旋轉(zhuǎn)的沉積器上，形成柱狀沉積坯；
[0011]4)空冷工序:升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為50-100mm，同時(shí)保持沉積坯在沉積器上以480-520轉(zhuǎn)/分的旋轉(zhuǎn)并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，當(dāng)坯體表面溫度低于750°C后，停止沉積器旋轉(zhuǎn)，隨爐冷卻，獲得高速鋼坯體；
[0012]5)退火工序:將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到900-910°C，保溫10小時(shí)以上后緩冷到≤600°C出爐空冷，冷卻速度≤30K/hr ；
[0013]6)熱鍛工序:將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1210_1230 °C，始鍛溫度為1160-1180°C，終鍛溫度為 910-930°C ；
[0014]7)淬火回火工序:將熱鍛好的高速鋼加熱到1180_1200°C保溫6_10分鐘后淬火，550-560°C保溫I小時(shí)后回火，回火次數(shù)1-4次。
[0015]本發(fā)明各種合金元素的作用及配比如下:
[0016]碳:碳在高速鋼中是碳化物的形成元素，其對高速鋼的工藝性能和使用性能有十分重要的影響。由于強(qiáng)碳化物元素Nb的加入，形成難以溶解的MC型碳化物。通過提高碳的含量，以便更多V的碳化物在回火過程中析出，提高二次硬化效果。但碳含量過高，對淬火過熱、過燒敏感性及殘余奧氏體有負(fù)面影響，并且降低韌性，故本發(fā)明中碳含量為1.5-1.7%。
[0017]鉻(Cr):高速鋼中碳化物的形成元素之一，退火態(tài)中主要進(jìn)入M23C6，對鋼的二次硬化也起重要作用。
[0018]鑰、鎢:高速鋼的主加合金元素，主要作用是形成一定數(shù)量的難以溶解的一次碳化物，使鋼可進(jìn)行接近熔點(diǎn)的高溫淬火，并提高鋼的耐磨性；通過高溫固溶獲得高W(Mo)的馬氏體后，回火時(shí)M2C及MC脫溶形成足夠數(shù)量的二次碳化物，是二次硬化和紅硬性的主要因素。
[0019]釩和氮:釩高速鋼的主加合金元素，V對形成部分連貫的起著二次硬化作用的MC析出物的彌散分布起決定性的作用。本發(fā)明中添加的釩和氮組合，替代昂貴的鈷元素，形成二者的化合物，可以提高鋼的二次硬度、紅硬性及耐磨性。鈮和鈮:強(qiáng)碳化物形成元素，形成MC型碳化物，可用來部分代替V或W，將V的含量降至僅保持二次硬化的水平。利用Nb增加鋼中MC型碳化物，從而增強(qiáng)鋼的耐磨性。
[0020]硅:作為脫氧元素加入。在低合金高速鋼中，公認(rèn)對二次硬化及高溫硬度有利，但在含W較高的高速鋼中，Si不但對二次硬化無好處，而且由于促進(jìn)粗大的一次碳化物MC的形成，對鋼的韌性不利。Si的其他負(fù)面影響還有:增加鋼的脫碳敏感性，略降低二次硬化峰值的溫度，促進(jìn)非共格M6C碳化物在較高的回火溫度形成，對600°C以上的紅硬性不利。因此，本發(fā)明 中嚴(yán)格限制其含量。硫(S):會形FeS，給鋼帶來熱脆性，控制S的含量在0.030%以下，并且含量越低越好。
[0021]磷(P):P在鋼液凝固時(shí)形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度是偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大?？刂芇的含量在0.030%以下，并且含量越低越好。
[0022]錳(Mn):作為脫氧劑，還利于提高高速鋼鍛、軋的熱塑性，明顯減少坯材裂紋。
[0023]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0024]I)通過調(diào)整高速鋼的化學(xué)成分，以釩和氮的組合替代價(jià)格昂貴的鈷元素，大幅降低成本，并起到與添加鈷元素同樣的技術(shù)效果。添加了合金元素鈮，使得這種高速鋼特點(diǎn)是硬度高，具有更好的耐磨性；廣泛應(yīng)用于各種刀具，還可用于制作模具等，降低了粉末高速鋼的使用價(jià)格
[0025]2)采用噴射成型工藝，既克服了傳統(tǒng)鑄造坯件晶粒粗大、偏析嚴(yán)重的缺點(diǎn)，又摒棄了粉末冶金工藝的工序繁多、能耗較高的不足，同時(shí)又兼有粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，從而大大提高了金屬材料的各種性能，其優(yōu)勢十分顯著和突出。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例一
[0027]—種無鈷高速鋼的噴射成型制備方法，該高速鋼的化學(xué)成分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)由下列組份組成:C 1.5%, Cr 4.8%, Mo 4.8%, W 7.4%, V 3.2%, Nb 1.0%, Ti 0.2%, Si0.7%,Mn 0.1%,N 0.1%，S≤0.03%，P≤0.03%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；所述的制備方法包括如下步驟:
[0028]I)配料工序:按照合金的成分進(jìn)行配料；
[0029]2)熔化工序:將混合好的配料放入霧化沉積設(shè)備熔煉室的真空感應(yīng)爐內(nèi)加熱到高于合金熔點(diǎn)1710°C，保溫20分鐘，使感應(yīng)爐內(nèi)高速鋼熔體的成分和溫度達(dá)到均勻一致，然后把高速鋼熔體倒入已經(jīng)被加熱的中間包中，中間包的溫度高于高速鋼熔點(diǎn)1700°C ；
[0030]3)噴射成型:將中間包中的高速鋼熔體通過霧化噴嘴噴射到沉積室內(nèi)，霧化壓力2MPa，霧化氣體為純度> 99.9%的N2氣，霧化的熔滴飛行并沉積在以45轉(zhuǎn)/分速度旋轉(zhuǎn)的沉積器上，形成柱狀沉積坯；
[0031]4)空冷工序:升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為50mm，同時(shí)保持沉積坯在沉積器上以520轉(zhuǎn)/分的旋轉(zhuǎn)并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，當(dāng)坯體表面溫度低于750°C后，停止沉積器旋轉(zhuǎn)，隨爐冷卻，獲得高速鋼坯體；
[0032]5)退火工序:將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到900°C，保溫10小時(shí)以上后緩冷到≤600°C出爐空冷，冷卻速度≤30K/hr ；
[0033]6)熱鍛工序:將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1210°C，始鍛溫度為1180°C，終鍛溫度為910。。;
[0034]7)淬火回火工序:將熱鍛好的高速鋼加熱到1180°C保溫10分鐘后淬火，550°C保溫I小時(shí)后回火，回火次數(shù)4次。
[0035]實(shí)施例二
[0036]一種無鈷高速鋼的噴射成型制備方法，該高速鋼的化學(xué)成分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)由下列組份組成:C 1.7%, Cr 4.4%, Mo 5.2%, W 7.0%, V 3.6%, Nb 0.6%, Ti 0.4%, Si0.5%, Mn 0.3%, N 0.06%, S≤0.03%, P≤0.03%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；所述的制備方法包括如下步驟:
[0037]I)配料工序:按照合金的成分進(jìn)行配料；
[0038]2)熔化工序:將混合好的配料放入霧化沉積設(shè)備熔煉室的真空感應(yīng)爐內(nèi)加熱到高于合金熔點(diǎn)1730°C，保溫10分鐘，使感應(yīng)爐內(nèi)高速鋼熔體的成分和溫度達(dá)到均勻一致，然后把高速鋼熔體倒入已經(jīng)被加熱的中間包中，中間包的溫度高于高速鋼熔點(diǎn)1720°C ；
[0039]3)噴射成型:將中間包中的高速鋼熔體通過霧化噴嘴噴射到沉積室內(nèi)，霧化壓力3MPa，霧化氣體為純度> 99.9%的N2氣，霧化的熔滴飛行并沉積在以35轉(zhuǎn)/分速度旋轉(zhuǎn)的沉積器上，形成柱狀沉積坯；
[0040]4)空冷工序:升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為100mm，同時(shí)保持沉積坯在沉積器上以480轉(zhuǎn)/分的旋轉(zhuǎn)并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，當(dāng)坯體表面溫度低于750°C后，停止沉積器旋轉(zhuǎn)，隨爐冷卻，獲得高速鋼坯體；
[0041]5)退火工序:將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到910°C，保溫10小時(shí)以上后緩冷到≤600°C出爐空冷，冷卻速度≤30K/hr ；
[0042]6)熱鍛工序:將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1230°C，始鍛溫度為1160°C，終鍛溫度為930°C ；
[0043]7)淬火回火工序:將熱鍛好的高速鋼加熱到1200°C保溫6分鐘后淬火，560°C保溫I小時(shí)后回火，回火次數(shù)I次。
[0044]實(shí)施例三
[0045]一種無鈷高速鋼的噴射成型制備方法，該高速鋼的化學(xué)成分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)由下列組份組成:C 1.6%, Cr 4.6%, Mo 5.0%, W 7.2%, V 3.4%, Nb 0.8%, Ti 0.3%, Si0.6%, Mn 0.2%, N 0.08%, S≤0.03%, P ( 0.03%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；所述的制備方法包括如下步驟:
[0046]I)配料工序:按照合金的成分進(jìn)行配料；
[0047]2)熔化工序:將混合好的配料放入霧化沉積設(shè)備熔煉室的真空感應(yīng)爐內(nèi)加熱到高于合金熔點(diǎn)1720°C，保溫15分鐘，使感應(yīng)爐內(nèi)高速鋼熔體的成分和溫度達(dá)到均勻一致，然后把高速鋼熔體倒入已經(jīng)被加熱的中間包中，中間包的溫度高于高速鋼熔點(diǎn)1710°C ；
[0048]3)噴射成型:將中間包中的高速鋼熔體通過霧化噴嘴噴射到沉積室內(nèi)，霧化壓力2.5MPa，霧化氣體為純度> 99.9%的N2氣，霧化的熔滴飛行并沉積在以40轉(zhuǎn)/分速度旋轉(zhuǎn)的沉積器上，形成柱狀沉積坯；
[0049]4)空冷工序:升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為75mm，同時(shí)保持沉積坯在沉積器上以500轉(zhuǎn)/分的旋轉(zhuǎn)并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，當(dāng)坯體表面溫度低于750°C后，停止沉積器旋轉(zhuǎn)，隨爐冷卻，獲得高速鋼坯體；
[0050]5)退火工序:將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到905°C，保溫10小時(shí)以上后緩冷到≤600°C出爐空冷，冷卻速度≤30K/hr ；
[0051]6)熱鍛工序:將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1220°C，始鍛溫度為1170°C，終鍛溫度為920°C ；
[0052]7)淬火回火工序:將熱鍛好的高速鋼加熱到1190°C保溫8分鐘后淬火，555°C保溫I小時(shí)后回火，回火次數(shù)2次。
【權(quán)利要求】
1.一種無鈷高速鋼的噴射成型制備方法，其特征在于，該高速鋼的化學(xué)成分以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)由下列組份組成:C 1.5-1.7%, Cr 4.4-4.8%，Mo 4.8-5.2%, W 7.0-7.4%，V.3.2-3.6%, Nb 0.6-1.0%, Ti 0.2-0.4%, Si 0.5-0.7%, Mn 0.1-0.3%, N 0.06-0.1%,S≤0.03%, P ≤ 0.03%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；所述的制備方法包括如下步驟: .1)配料工序:按照合金的成分進(jìn)行配料； . 2)熔化工序:將混合好的配料放入霧化沉積設(shè)備熔煉室的真空感應(yīng)爐內(nèi)加熱到高于合金熔點(diǎn)1710-1730°C，保溫10-20分鐘，使感應(yīng)爐內(nèi)高速鋼熔體的成分和溫度達(dá)到均勻一致，然后把高速鋼熔體倒入已經(jīng)被加熱的中間包中，中間包的溫度高于高速鋼熔點(diǎn).1700-1720°C ； . 3)噴射成型:將中間包中的高速鋼熔體通過霧化噴嘴噴射到沉積室內(nèi)，霧化壓力.2-3MPa，霧化氣體為純度> 99.9%的N2氣，霧化的熔滴飛行并沉積在以35-45轉(zhuǎn)/分速度旋轉(zhuǎn)的沉積器上，形成柱狀沉積坯； . 4)空冷工序:升高沉積器使沉積坯到霧化嘴的距離為50-100mm，同時(shí)保持沉積坯在沉積器上以480-520轉(zhuǎn)/分的旋轉(zhuǎn)并保持沉積坯與噴嘴之間的距離不變，當(dāng)坯體表面溫度低于750°C后，停止沉積器旋轉(zhuǎn)，隨爐冷卻，獲得高速鋼坯體； . 5)退火工序:將噴射成形制得的高速鋼坯體加熱到900-910°C，保溫10小時(shí)以上后緩冷到≤600°C出爐空冷，冷卻速度≤30K/hr ； . 6)熱鍛工序:將退火好的高速鋼坯加熱溫度到1210-1230°C，始鍛溫度為.1160-1180°C，終鍛溫度為 910-930°C ； . 7 )淬火回火工序:將熱鍛好的高速鋼加熱到1180-1200°C保溫6-10分鐘后淬火，.550-560°C保溫I小時(shí)后回火，回火次數(shù)1-4次。
【文檔編號】C22C38/28GK103789640SQ201210434226
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月2日
【發(fā)明者】談祁祥 申請人:無錫市金蕩機(jī)械廠