喷射成形耐磨耐蚀工具钢的制作方法
【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耐磨耐蚀工具钢。
【背景技术】
[0002] 在一些特殊工况条件下，工具或零部件不仅经受运动部件或工作介质中硬的研磨 颗粒直接接触引起磨损，还经受潮湿、酸或其它腐蚀剂的腐蚀作用，这样一种典型的工况如 用于塑料机械挤注塑成形的螺杆、螺杆头或螺杆套筒等零部件，一方面由于塑料中添加大 量硬质颗粒，如玻璃纤维、碳纤维等，导致这些零部件磨损加剧，另一方面塑料中腐蚀性成 分对零部件产生化学腐蚀。为了使应用于这些特殊工况的零部件具备长的使用寿命，所使 用工具钢必须具有高的耐磨性能和耐蚀性能，另外为了承受工作应力加载和冲击，工具钢 需具备一定的硬度和韧性。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、M7C 3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， 提尚工t旲具的使用寿命。工具钢耐蚀性能的提尚主要依赖于络兀素在基体中的固溶，认为 至少11%的铬固溶于基体是必要的。工具钢的韧性取决于基体强度以及第二相的分布状 态，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耐磨 耐蚀工具钢。
[0005] 为实现上述目的，本发明的喷射成形耐磨耐蚀工具钢其化学组分按质量百分比 计包括：C :2· 0%-2· 5%，W :0· 1%-1· 0%，Mo:彡 I. 8%，Cr :18· 3%-22· 0%，V :3· 5%-5· 8%，Nb : 0· 2%-1· 9%，Co :0· 15%-0· 5%，Si :彡 I. 0%，Mn :0· 2%-1· 0%，N :0· 05%-0· 5%，余量为铁和杂质； 所述喷射成形耐磨耐蚀工具钢的碳化物组成为MC碳化物和M7C3碳化物，其中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，含 量不能小于2. 0%，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2. 5%，避 免过多的C固溶于基体导致韧性下降，在C含量2. 0%-2. 5%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%-1. 0%，Mo的含量 范围是Mo < 1. 8%。
[0009] Cr -方面固溶于基体，提高耐蚀性能及淬透性，另一方面Cr以M7C3碳化物形式 析出，考虑到Cr固溶于基体以及以碳化物形式析出之间存在的平衡，本发明的Cr含量为 18. 3%-22, 0%〇
[0010] V主要用于形成MC型碳化物，提高工具钢的耐磨性能。V含量控制范围为 3. 5%-5· 8%〇
[0011] Nb的作用与V类似，参与形成MC碳化物，本发明工具钢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；本发明控制Nb的含量范围为0. 2%-1. 9%。
[0012] Co主要固溶于基体，促进碳化物析出，细化碳化物颗粒度，本发明Co含量的范围 为 0· 15%-0· 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Si含量范围限定为Si < 1. 0%。
[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，N同时促进钢的耐蚀性能提高，限定N含量范围 为 0· 05%-0· 5%。
[0016] 本发明工具钢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 :2. 0%-2. 4%，W : 0· 1%-0· 8%，Mo:彡 L 8%，Cr :18· 3%-21· 0%，V :3· 8%-5· 8%，Nb :0· 5%-1· 8%，Co :0· 18%-0· 4%， Si :彡 0· 8%，Mn :0· 2%-0· 8%，N :0· 05%-0· 4%，0 彡 0· 008%，余量为铁和杂质。
[0020] 为了达到更好的综合性能，本发明喷射成形耐磨耐蚀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