喷射成形沉淀硬化高速钢的制作方法

1.本发明涉及一种新型高速钢，尤其涉及一种喷射成形沉淀硬化高速钢。


背景技术：

2.沉淀硬化钢是一种无碳铁基马氏体沉淀硬化工具合金，由于其性能(硬度、强度、韧性)、用途及主要元素与高速钢相同，已归入高速钢的一类。但从相组成、组织转变及热处理特性上与传统意义的高速钢存在较大区别。
3.由于沉淀硬化钢的成分中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。
4.目前沉淀硬化钢采用粉末冶金工艺制备，能够解决元素偏析问题从而获得均一的组织结构，相比传统铸锻工艺有大幅度提升，但粉末冶金工艺复杂、流程长、成本高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种具有良好组织和优异性能的喷射成形沉淀硬化高速钢。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种喷射成形沉淀硬化高速钢，其特征在于，按质量百分比计，该钢包括如下化学组分：
8.si：0.5％-1.2％；
9.co：10.0％-25.0％；
10.ce：0.01％-0.1％；
11.w：0％-5.0％；
12.mo：15.0％-25.0％；
13.(mo+w/2)：15.0％-27.0％；
14.余量为铁和杂质；
15.且，所述喷射成形高速钢中的金属间化合物(即imc相)为μ相，μ相的类型为(fe,co)7(mo+w/2)6。
16.本发明通过合金成分的设计，促进沉淀硬化高速钢在喷射成形工艺下μ相的析出，从而提高钢的抗回火软化能力和韧性。
17.作为上述方式的限定，按质量百分比计，所述喷射成形沉淀硬化高速钢包括如下的化学组分：
18.si：0.5％-1.0％；
19.co：10.0％-22.0％；
20.ce：0.01％-0.08％；
21.w：0％-3.0％；
22.mo：15％-23.0％；
23.(mo+w/2)：15.0％-24.0％；
24.余量为铁和杂质。
25.为了达到更好的综合性能，本发明喷射成形沉淀硬化高速钢中的各化学组分应控制在要求范围之内。
26.进一步的，至少80％体积分数的μ相尺寸≤1.5μm，μ相的最大尺寸不超过7.5μm。
27.进一步的，所述μ相的体积分数为12-20％。
28.本发明同时也提供了制备如上所述的喷射成形沉淀硬化高速钢的制备方法，且所述制备方法包括如下的步骤：
29.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；
30.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；
31.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；
32.s1.3.对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度；
33.s1.4钢液从中间包进入喷射沉积室后采用惰性气体进行雾化沉积，在稳定出口压力下完成喷射沉积得到喷射沉积锭；喷射沉积过程中维持钢液温度和流量稳定，喷射沉积接收盘缓慢下降同时水平旋转，喷射沉积接收盘下降速度与喷射沉积锭生长速度保持一致使喷射沉积锭上端面高度恒定；控制气体进气、出气流量，保持喷射沉积室的惰性气体保护性氛围；
34.s1.5将喷射沉积锭转移至保护性气氛炉进行退火或直接转移至热锻开坯工艺环节。
35.s2.锻打开坯
36.采用室式炉进行均质化处理，出炉后采用多火次小变形量将喷射沉积锭锻打开坯，得到沉淀硬化高速钢棒材。
37.s3.热处理
38.对棒材进行固溶时效处理，固溶温度1170-1190℃，保温30min后油冷；随后进行时效处理，时效温度600-650℃，采用箱式电阻炉保温3h，随后空冷。
39.本发明按上述制备方法获得的棒材成分组织均匀、μ相细小，可获得具备出色的力学性能，尤其是高的红硬性和较好的韧性，固溶时效处理后硬度达64hrc，无缺口冲击韧性10j以上，能够满足不同类型的应用需求。本发明中的沉淀硬化高速钢采用喷射成形工艺制备，制备成本相比粉末冶金工艺要低，降低合金整体成本、简化工艺流程方面具有优势。
附图说明
40.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：
41.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；
42.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；
43.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；
44.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；
45.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；
46.图6为本发明对比例a所制备的电渣工艺高速钢的微结构图；
47.图7为本发明对比例b所制备的粉末冶金高速钢的微结构图；
48.图8为本发明实施例1至9的抗回火性对比图
具体实施方式
49.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。
50.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
51.本发明涉及一种喷射成形沉淀硬化高速钢，按质量百分比计其包括有如下的化学组分：si：0.5％-1.2％；co：10.0％-25.0％；ce：0.01％-0.1％；w：0％-5.0％；mo：15％-23.0％；(mo+w/2)：15.0％-27.0％；余量为铁和杂质。
52.同时，所述喷射成形高速钢中的金属间化合物(即imc相)为μ相，μ相的类型为(fe,co)7(mo+w/2)6，其中μ相的体积分数为12-20％，且至少80％体积分数的μ相尺寸≤1.5μm，μ相的最大尺寸不超过7.5μm。
53.具体而言，本发明中沉淀硬化高速钢中的co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(钴)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％-25.0％，优选为10.0％-22.0％。
54.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％。
55.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15.0％-25.0％，优选为15.0％-23.0％。
56.ce(铈)在精炼阶段加入，能够与钢液中的氧、硫等反应生成化合物，并作为夹杂从钢液中排出，可起到脱氧、脱硫、改性的作用。
57.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0.5％-1.2％，且优选为0.5％-1％。
58.基于以上描述，可以发现，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：si：0.5％-1.0％；co：10.0％-22.0％；ce：0.01％-0.08％；w：0％-3.0％；mo：15％-23.0％；(mo+w/2)：15.0％-24.0％；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。
59.其次，本发明也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时，由于凝固速度缓慢，容易发生偏析而导致性能下降。而采用粉末冶金工艺流程长、成本高，在保证制得沉淀硬化高速钢锭成分组织均匀、μ相细小且纯净度高的前提下，采用喷射成形工艺替代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。
60.具体来说，本发明的制备方法具体包括有如下的步骤：
61.s1.将本发明沉淀硬化钢钢液装入喷射成形熔炼钢包中，钢液装载重量为3.5吨；
62.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，钢包底部通入氩气对钢液进行搅拌，钢液过热度达到100-150℃打开钢液导流管；
63.s1.2.将钢液通过钢包底部的导流管以100kg/min的流量流入预加热至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；
64.s1.3.喷射沉积过程中对中间包持续补偿加热，维持钢液的过热度维持在100-150℃；
65.s1.4钢液通过中间包底部进入喷射沉积室，开启气体喷射阀门，采用氮气作为气体介质进行雾化沉积，氮气纯度≥99.999％，氧含量≤2ppm，气体喷嘴出口压力为1.0mpa；钢液在氮气喷射作用下被破碎成半凝固熔滴，随之与气体混合形成雾化锥，熔滴飞行至喷射沉积接收盘缓慢下降同时水平旋转，喷射沉积接收盘下降速度与喷射沉积锭生长速度保持一致使喷射沉积锭上端面高度恒定；喷射沉积开始前后，喷射沉积室内部持续保持保护性氮气气氛，沉积过程控制气体进气及出气流量；
66.s1.5喷射沉积完成后得到单根重量大于3吨、尺寸φ550mm的锭材，将喷射沉积锭转移至保护性气氛炉进行退火，随后随炉冷却。
67.s2.锻打开坯
68.采用多火次小变形量将喷射沉积锭锻打开坯，且每次变形量在5-20mm之间，每次加热温度在1170～1200℃，加热400min，共4火次锻打，开坯后及时装管退火，退火温度870-890℃，最终得到沉淀硬化高速钢棒材。
69.s3.热处理
70.对棒材进行固溶时效处理，固溶温度1170-1190℃，保温30min后油冷；随后进行时效处理，时效温度600-650℃，采用箱式电阻炉保温3h，随后空冷。
71.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发明的喷射成形沉淀硬化高速钢及其制备。
72.对本发明涉及的喷射成形沉淀硬化高速钢的μ相粒度和体积分数、热处理硬度、抗回火软化性能、冲击韧性进行验证，其中μ相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、抗回火软化性能、冲击韧性分别参考gb/t 230.1、gb/t 229进行测试。
73.通过上述制备方法得到实施例1至实施例7共七种具有不同成分组成的沉淀硬化高速钢，并与铸锻工具钢(合金a)和粉末冶金工具钢(合金b)进行对比，其结果如下：
74.表1:成分组成对比：
75.[0076][0077]
表中的
“‑”
表示不含有该元素，或该元素含量很少未做分析。
[0078]
(一)微结构分析
[0079]
图1至图5分别是所制备的沉淀硬化钢棒材实施例1、实施例2、实施例4、实施例5、实施例6的微结构示意图，图6为合金a的微结构示意图，图7为合金b的微结构示意图
[0080]
显而易见的，图1至图5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6和图7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。
[0081]
经热处理后实施例1至实施例7中所制得的高速钢与合金a、b中析出相含量、粒度、成分进行对比：
[0082]
表2:析出相的含量及化学组成
[0083][0084][0085]
表中的
“‑”
表示：不含有该元素，或该元素含量很少未做分析。
[0086]
由表2可以看出，在实施例1至实施例7中，经检测imc主要为μ相，类型为(fe,co)7(mo+w/2)6，主要成分为fe、co、mo、w以及少量si等合金元素。在合金a和b中，经检测强化相主要为两大类，一类是vc型碳化物，成分以c、v、cr和fe为主，另一类为富cr碳化物，类型为(cr,fe)c型碳化物，成分以c、v、cr和fe为主，并含有少量的mo。
[0087]
本发明沉淀硬化高速钢μ相体积分数达到12％-20％，粒度细小，大部分μ相粒度小
于1.5μm，最大尺寸不超过7μm，这些析出相尺寸细小、分散度大，同时μ相的抗高温聚集能力高于碳化物，因此使得材料获得更好的使用寿命。
[0088]
采用粉末冶金工艺制备的合金b中vc型碳化物最为细小，但组织中也存在数量较多、尺寸范围4-7μm的(cr,fe)c型碳化物。采用电渣重熔工艺的a合金中，虽然vc型碳化物最大尺寸较本发明沉淀硬化高速钢实例中μ相更细小，但组织中也存在数量较多、尺寸范围5-9μm的(cr,fe)c型碳化物。
[0089]
(二)热处理硬度和冲击韧性分析
[0090]
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。
[0091]
对实施例1至实施例7中所制得的高速钢及合金a、b进行热处理，所得以下硬度、冲击韧性对比结果如表3所示。
[0092]
表3：力学性能对比
[0093][0094][0095]
由表3可以看出，本发明的喷射成形沉淀硬化高速钢的硬度为64hrc以上，无缺口试样冲击韧性值为10.0j以上，虽然本发明的沉淀硬化高速钢冲击韧性相对较低，但测量值满足应用领域对韧性的需求，因而本发明沉淀硬化高速钢尤其适用于较少冲击载荷作业的场合。
[0096]
(三)抗回火软化性能分析
[0097]
对实施例1至实施例7中所制得的高速钢及合金a、b的抗回火软化能力进行对比，采用的热处理工艺如表4所示，抗回火软化性能结果如图8所示。
[0098]
表4:抗回火软化工艺
[0099][0100]
由图8的可以看出，本发明的沉淀硬化钢表现出更优异的抗回火软化性能。
[0101]
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。
[0102]
由于本发明采用特定的合金成分设计以及采用喷射成形工艺进行制备，具有高的金属间化合物μ相含量的同时，其粒度细小、分散度大，同时抗高温聚集能力高于碳化物，因此使得材料获得较好的韧性和更好的使用寿命，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)细小、薄刃刀具。
[0103]
综上所述，本发明的喷射成形沉淀硬化高速钢具备出色的力学性能，尤其是出色的抗回火软化性能。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，且由于制备成本较粉末冶金工艺低，本发明中的沉淀硬化高速钢具有高效低成本的特点，具备很好的实用性。
[0104]
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。

技术特征：
1.一种喷射成形沉淀硬化高速钢，其特征在于，其化学组分按质量百分比计包括：si：0.5％-1.2％；co：10.0％-25.0％；w：0％-5.0％；ce：0.01％-0.1％；mo：15.0％-25.0％；(mo+w/2)：15.0％-27.0％；余量为铁和杂质；且，所述喷射成形沉淀硬化高速钢中的金属间化合物为μ相，μ相的类型为(fe,co)7(mo+w/2)6。2.根据权利要求1所述的喷射成形沉淀硬化高速钢，其特征在于，其化学组分按质量百分比计包括：si：0.5％-1.0％；co：10.0％-22.0％；w：0％-3.0％；ce：0.01％-0.08％；mo：15％-23.0％；(mo+w/2)：15.0％-24.0％；余量为铁和杂质。3.根据权利要求1或2所述的喷射成形沉淀硬化高速钢，其特征在于：至少80％体积分数的所述μ相的颗粒尺寸≤1.5μm。4.根据权利要求1或2所述的喷射成形沉淀硬化高速钢，其特征在于：所述μ相的最大颗粒尺寸不超过7.5μm。5.根据权利要求1或2所述的喷射成形沉淀硬化高速钢，其特征在于：所述喷射成形沉淀硬化高速钢中所述μ相的体积分数为12-20％。6.根据权利要求1或2所述的喷射成形沉淀硬化高速钢，其特征在于：所述喷射成形沉淀硬化高速钢的硬度为64hrc以上，无缺口试样冲击韧性值为10.0j以上。

技术总结
一种喷射成形沉淀硬化高速钢，其化学成分按质量百分比计包含：Si：0.5％-1.2％；Co：10.0％-25.0％；Ce：0.01％-0.1％；W：0％-5.0％；Mo：15.0％-25.0％；(Mo+W/2)：15.0％-27.0％；余量为铁和杂质。本发明制得的喷射成形沉淀硬化高速钢具有均一的显微组织结构，主要由铁基立方固溶体基体与基体中金属间化合物(简称IMC)μ相组成，其中μ相为(Fe,Co)7(Mo+W/2)6型。合金元素偏析被抑制在很小的范围内，μ相尺寸细小且分布均匀，对耐磨性和磨削性有良好的影响。性有良好的影响。性有良好的影响。


技术研发人员：李惠 张贝贝 邵青立 尤晓东
受保护的技术使用者：河冶科技股份有限公司
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2023/10/6