喷射成形高韧性工具钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种工具钢，尤其涉及一种喷射成形高韧性工具钢。
【背景技术】
[0002] 工具钢应同时具备包括耐磨性能、冲击韧性、抗弯强度以及硬度等四个方面的优 异性能。正常使用条件下，耐磨性能决定了使用寿命的长短，工具钢的耐磨性能取决于基体 硬度以及钢中存在的硬质第二相的含量、形态以及粒度分布。钢中的硬质第二相包括M 6C、 M2C、M23C6、M7C3以及MC等，MC碳化物的显微硬度高于其它碳化物，作业过程中能够更好地保 护基体，从而减少磨损的发生，提高工模具的使用寿命。工具钢的冲击韧性是反映韧性的重 要指标，钢中粗大碳化物的存在引起应力集中，使工具钢韧性降低，导致在较低的外力加载 下发生断裂，为了提高工具钢韧性，减少碳化物含量或细化碳化物粒度是重要的手段。工具 钢使用过程中为了避免塑性变形的发生，工具钢通常要求硬度达到HRC60以上。
[0003] 目前工具钢主要采用传统的铸锻工艺制备，采用铸锻工艺制备工具钢受到工艺过 程钢液缓慢冷却凝固特点的限制，合金成分在凝固过程中容易发生偏析，形成粗大的碳化 物组织，即使经过后续锻轧处理，这种不良组织仍然会对合金性能带来不良影响，导致铸锻 工具钢性能上包括强度、韧性、耐磨性能、可磨削性能等处于偏低水平，难以满足高端加工 制造对材料使用性能及寿命稳定性的要求。采用粉末冶金工艺制备工具钢解决了合金元素 偏析的问题，制备得到合金组织细小均匀，相比铸锻合金性能有大幅度提升，但是存在的问 题是粉末冶金工艺复杂、流程长，带来成本的提高，限制了粉末冶金工具钢的广泛使用。在 此种背景下，近年来采用喷射成形工艺制备工具钢得到发展，喷射成形的工艺原理是在惰 性气体如氮气、氩气等保护气氛下，采用高压气体将熔融金属破碎成细小的金属熔滴，雾化 熔滴在飞行过程中冷却到半凝固状态，随后撞击沉积接收器表面，发生沉积，逐步长大成大 块金属沉积坯，后续可对沉积坯进行锻轧加工获得所需形状材料。采用喷射成形工艺制备 工具钢已有报道，但由于其原料成分的配比不够合理，生成的工具钢其碳化物组织不够理 想，其性能不够优异。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有优异性能的喷射成形高韧 性工具钢。
[0005] 为实现上述目的，本发明的喷射成形高韧性工具钢其化学组分按质量百分比计 包括：C :0· 75%-1· 18%，W :0· 1%-0· 4%，Mo: ^ 3. 0%, Cr ：4. 2%-6. 5%, V ：2. 8%-4. 8%, Nb ： 0· 3%-0· 9%，Co :0· 05%-0· 5%，Si :彡 L 2%，Mn :0· 2%-1· 0%，N :0· 05%-0· 4%，余量为铁和杂质； 所述喷射成形高韧性工具钢的碳化物为MC碳化物，MC碳化物的类型为（V、Nb) (C、N)。
[0006] 本发明通过合金成分的设计，促进工具钢在喷射成形工艺下MC碳化物的形核与 细化，从而提高工具钢的耐磨性能和韧性。
[0007] C元素部分固溶于基体，提高基体强度，同时，C元素是碳化物的组成元素之一， C的含量不小于0. 75%，以保证合金元素能够充分参与碳化物析出，C的最大含量不超过 1. 18%，避免过多的C固溶于基体导致韧性下降。在上述C含量为0. 75%-1. 18%范围内，能 够获得最大耐磨性能以及强韧性的配合。
[0008] W、Mo固溶于基体，提高基体淬透性，本发明W含量范围是0. 1%-0. 4%，Mo的含量 范围是Mo < 3. 0%。
[0009] Cr的作用一方面固溶于基体，提高淬透性，另一方面Cr促进其它碳化物的析出， 本发明的Cr含量为4. 2%-6. 5%。
[0010] V主要用于形成MC型碳化物，提高工具钢的耐磨性能，考虑到工具钢对耐磨性能 及韧性的双重需求，V含量控制范围为2. 8%-4. 8%。
[0011] Nb的作用与V类似，参与形成MC碳化物，本发明Nb固溶于MC碳化物，提高MC碳 化物析出时的形核数量，促进MC碳化物析出和细化，提高耐磨性能；Nb添加含量上限在于 避免富Nb的MC碳化物析出；因此限定Nb的含量范围为0. 3%-0. 9%。
[0012] Co主要固溶于基体，促进热处理过程碳化物析出，细化碳化物颗粒度，本发明Co 含量的范围为〇. 〇5%-〇. 5%。
[0013] Si不参与碳化物形成，作为一种脱氧剂和基体强化元素来使用，Si过多会使基体 的韧性下降，因此本发明Si含量范围限定为Si < 1. 2%。
[0014] Mn作为脱氧剂加入，可以固硫减少热脆性，另外锰增加淬透性，本发明Mn含量范 围为 0· 2%-1· 0%。
[0015] N参与形成MC碳化物，快速冷却条件下，N促进MC碳化物形核析出，同时不会导致 MC碳化物过分长大，有利于提高耐磨性能；本发明N含量范围为0. 05%-0. 4%。
[0016] 本发明V、Nb、C、N等合金元素形成MC碳化物类型为（V、Nb) (C、N)，钢液在喷射成 形工艺的快速冷却凝固条件下，添加的Nb和N参与MC碳化物形成，提高碳化物形核率和细 化MC碳化物颗粒，使工具钢韧性提高。
[0017] 作为对上述方式的限定，所述杂质包括0, 0 < 0. 01%。
[0018] 0过高导致工具钢韧性下降，本发明控制0含量< 0. 01%，以确保钢的优良性能。
[0019] 作为对上述方式的限定，其化学组分按质量百分比计包括：C:0. 8%-1. 15%，W: 0. 2%-0. 4%,Mo: ^ 2. 5%, Cr ：4. 5%-6. 0%,V ：3. 0%-4. 5%,Nb ：0. 3%-〇. 8%, Co ：0. 05%-〇. 3%, Si ： 彡 I. 0%，Mn :0· 2%-0· 8%，N :0· 05%-0· 35%，0 彡 0· 008%，余量为铁和杂质。
[0020] 为了达到更好的综合性能，本发明喷射成形高韧性工具钢中的各化学组分应控制 在要求范围之内。
[0021] 作为对上述方式的限定，所述杂质包括S，S < 0. 1%。
[0022] 作为对上述方式的限定，所述杂质包括P，P < 0. 03%。
[0023] 作为对上述方式的限定，所述MC碳化物的体积分数为3%_7%。
[0024] 作为对上述方式的限定，所述MC碳化物至少80V〇1%尺寸< 6 μ m。
[0025] 作为对上述方式的限定，所述MC碳化物最大尺寸不超过10 μ m。
[0026] 本发明的喷射成形高韧性工具钢，可以采用如下方法制备，包括以下步骤： a、 按上述化学组成要求制备工具钢钢液并转移至钢包； b、 通电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； C、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； d、 对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度； e、 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；喷射沉积过程维持钢液温度稳定、钢液流量稳定，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； f、 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。
[0027] 在喷射成形工艺过程采用全流程保护，以控制氧含量及碳化物形态，优化工具钢 性能。钢包的保护渣具备隔绝空气以及导电加热功能；钢包底部通过透气孔通入惰性气体， 使钢包内不同位置钢液温度均衡，同时加速有害夹杂的上浮去除；钢包底部的导流管一方 面对钢液起导流作用，减少钢液流转过程紊流产生，避免卷渣或减少夹杂进入到下一环节， 另一方面避免钢液直接与空气的接触，防止钢液氧含量上升；中间包的保护渣防止流经中 间包的钢液直接与空气接触，减少钢液氧含量的升高；钢水进入中间包前对中间包预加热， 防止钢液进入中间包时局部凝结或导致第二相提前析出；喷射沉积过程中控制气体进气及 出气流量，保持喷射沉积室惰性气体的保护气氛，对喷射沉积锭起到保护作用。
[0028] 综上所述，采用本发明的技术方案，获得的工具钢具备优异的综合力学性能，尤其 表现出高的韧性性能和耐磨性能。由于特定的合金成分设计以及喷射成形制备工艺，使工 具钢的碳化物粒度细小，分布均匀，从而获得高的韧性性能；碳化物为MC碳化物，类型为 (V、Nb ) (C、N)，大量高硬度MC碳化物在基体中的存在显著提高了工具钢的耐磨性能；热处 理后能够获得HRC60以上硬度，可以满足不同的应用领域需求，用途广泛。本发明工具钢采 用喷射成形工艺制备，合金制备成本相比粉末冶金工艺要低，有利于降低合金整体成本。
【具体实施方式】
[0029] 实施例一 本实施例涉及一组喷射成形高韧性工具钢，其化学组分如表1. 1所示： 表1. 1实施例一喷射成形高韧性工具钢的化学组分表
【主权项】
1. 一种喷射成形高韧性工具钢，其特征在于，其化学组分按质量百分比计包括：c: 0. 75%-l. 18%,W ：0. l%-0. 4%,Mo: ^ 3. 0%,Cr ：4. 2%-6. 5%,V ：2. 8%-4. 8%,Nb ：0. 3%-〇. 9%,Co ： 0. 05%-0. 5%，Si I. 2%，Mn :0. 2%-l. 0%，N :0. 05%-0. 4%，余量为铁和杂质；所述喷射成形高 韧性工具钢的碳化物为MC碳化物，MC碳化物的类型为（V、Nb) (C、N)。
2. 根据权利要求1所述的喷射成形高韧性工具钢，其特征在于：所述杂质包括0， 0^0. 01%〇
3. 根据权利要求2所述的喷射成形高韧性工具钢，其特征在于，其化学组分按质量百 分比计包括：C :0? 8%-L 15%，W :0? 2%-0. 4%，Mo:彡 2. 5%，Cr :4. 5%-6. 0%，V :3. 0%-4. 5%，Nb : 0? 3%-0. 8%，Co :0? 05%-0. 3%，Si :彡 1. 0%，Mn :0? 2%-0. 8%，N :0? 05%-0. 35%，0 彡 0? 008%，余 量为铁和杂质。
4. 根据权利要求1所述的喷射成形高韧性工具钢，其特征在于：所述杂质包括S， S 彡 0? 1%〇
5. 根据权利要求1所述的喷射成形高韧性工具钢，其特征在于：所述杂质包括P， P^0.0 3%〇
6. 根据权利要求1所述的喷射成形高韧性工具钢，其特征在于：所述MC碳化物的体积 分数为3%-7%。
7. 根据权利要求1所述的喷射成形高韧性工具钢，其特征在于：所述MC碳化物至少 80V〇1% 尺寸< 6 ym。
8. 根据权利要求1所述的喷射成形高韧性工具钢，其特征在于：所述MC碳化物最大尺 寸不超过10 U m。
【专利摘要】本发明涉及一种喷射成形高韧性工具钢，其化学组分按质量百分比计包括C：0.75%-1.18%，W：0.1%-0.4%，Mo：≤3.0%，Cr：4.2%-6.5%，V：2.8%-4.8%，Nb：0.3%-0.9%，Co：0.05%-0.5%，Si：≤1.2%，Mn：0.2%-1.0%，N：0.05%-0.4%，余量为铁和杂质；所述喷射成形高韧性工具钢的碳化物为MC碳化物，MC碳化物的类型为（V、Nb）（C、N）。制得的喷射成形高韧性工具钢具备优异的综合力学性能，尤其表现出高的韧性性能和耐磨性能，可以满足不同的应用领域需求，用途广泛。
【IPC分类】C22C32-00, C22C38-60, C22C38-30, B22F3-115
【公开号】CN104878300
【申请号】CN201510249127
【发明人】李小明, 米永旺, 邵立青, 况春江, 吴立志, 方玉诚
【申请人】河冶科技股份有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月15日