专利名称：一种纯净化制备双扫描喷射成形高速钢的方法
技术领域：
本发明属于材料加工领域。涉及一种纯净化制备双扫描喷射成形高 速钢的方法。
背景技术：
喷射成形工艺过程主要由合金熔液雾化、熔滴飞行与冷却、沉积坯 生长三个连续过程构成。合金熔体在导流管末端，被雾化气流破碎成大 量尺、J-在几微米 几l'l微米之间的细小熔滴，熔滴在高速气流作用下加 速，同时与气流进行快速热交换(冷却速率高达10:' 10VS)。由于冷 速的不同，到达沉积坯前小于某一临界尺寸的熔滴冷凝成固体颗粒，较 大尺寸的可能仍为液态，处于中间尺寸的熔滴则为含有一定液相的半凝 固颗粒。这无数个凝固程度不同的熔滴，高速撞击沉积器表面，在沉积 器表面附着、堆积、铺展、熔合形成一个薄的半液态层并顺序凝固结晶， 逐歩沉积成一个大块致密的金属坯体。因此，喷射成形是把液态金属的 雾化(快速凝固)和雾化熔滴的沉积(动态致密固化)结合在一步冶金操 作中完成，不但减少工序，具有明显的经济效应，而且组织均匀，提高 材料性能。
喷射成形工艺的一个突出优点就是制备出的材料晶粒细小，组织十 分均匀。在雾化过程中，熔滴中熔质原子的扩散和偏聚被限制在金属熔 滴的微小尺寸范围内。在沉积过程中，由于冷却速度较快且沉积坯表面 处于半凝固状态，溶质原子来不及扩散与偏聚，部分金属熔滴快速冷凝 生成细小的枝晶组织，其余尺寸较大的不同凝固状态的雾化熔滴高速撞 击在沉积坯表面后，内部凝固成的枝晶绝大部分被破碎，形成许多晶粒 凝固核心(即晶核)，然后沉积坯发生缓慢的高温退火过程，生成由等 轴晶组成的均匀的内部组织。因而，喷射成形材料无宏观偏析(即使微 观偏析程度也较低)，特别有利于制备易偏析的高合金化材料，如高速 钢、工具钢、模具钢等。
在喷射成形过程中，金属熔滴的雾化是在惰性气体保护下进行的，
且时间很短( -般为10"秒)，因此被氧化的程度很低。与传统粉末冶金
3工艺相比，由于减少了贮藏、运输、筛分、包套、压制等多道工序，大 大縮短了生产周期，材料利用率高，经济效益显著，有利于工业生产。 有人研究认为，制备成同样的材料，喷射成形的成本比传统粉末冶金工
艺可降低约30%。
利用喷射成形的快速凝固特点，可以解决传统工艺方法制备合金中 较易出现的偏析、 一次碳化物粗大、热加工性差等问题。上海宝钢研究 院申请的专利《一种使高钒高钴高速钢获得超塑性性能的方法》(申请 号200410024855.4)，即通过喷射成形工艺使高钒高钴高速钢获得超 塑性能。用喷射成形方法后，具有超塑性性能且添加昂贵金属的高钒高 钴高速钢可以实现--次成形形状较复杂的刀具和模具，大大减少了材 料、能源和时间的消耗。他们采用一种高速钢进行试验表明，喷射成形 高速钢的超塑性温度范围宽，且在较高的应变速率(1X10—'S—1)下，仍 有100%以上的高温拉伸延伸率，在同样条件下远高于常规铸锭锻轧工 艺制备的高速钢的塑性，但是，采用此方法成型制备的高速钢其内部的
本发明的目的是提出一种使高速钢内部的夹杂物含量降低的一种 纯净化制备双扫描喷射成形高速钢的方法。本发明的技术解决方案是，
(1) 在10-3Pa真空气氛中熔化并精练后的高速钢钢液，在倾倒入 中间包时，采用氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷过滤器过滤钢液，钢液喷射 成形前，对熔炼室和雾化室进行洗气操作，即将高速钢母合金料放入真 空感应炉内加热，并在合金料熔化前，采用机械泵和增压泵对熔炼室和 雾化室抽真空，真空度低于10—:iPa，关闭各真空阀，向熔炼室和雾化室 内充入N,99. 9%wt， 0入2ppm的高纯氮气，当压力接近latm后，抽真 空，真空度低于10-3Pa，重复操作三次；
(2) 向熔炼室和雾化室内充入N,99.9y。wt， 02〈2ppm的高纯氮气， 气体压力接近latm;
(3) 把精炼均匀的高速钢钢液按每分钟50公斤的速度缓慢倒入己 加热的中间包内，钢液经中间包过滤，通过导流管，将钢液在雾化喷嘴 处以压力70atm、纯度化〉99. 9%wt， Oz<2ppm的氮气雾化成熔滴，熔滴 沉积在沉积器上形成沉积坯；
发明内容(4) 当雾化沉积完成后，把雾化室和熔炼室抽真空，使高温沉积
坯处于真空状态，真空度低于10-2Pa。
(5) 当沉积坯温度低于200。C， nj以破真空，取出沉积坯。 本发明的优点和效果本发明充分结合喷射成形工艺与纯净化技术
的优点。在喷射沉积的每一步操作中，都设计并采取了各种有效措施减 少有害的陶瓷颗粒和氧化物的混入、降低气体(主要是氧)等不利元素 的含量。包括钢液熔化前对炉内进行洗气操作；喷射成形过程中对钢液 进行过滤；沉积完成后保持雾化室的真空状态等，都尽可能的减少了夹 杂物混入高速钢和在高速钢中生成的机会。该工艺不但通过喷射成形获 得晶粒细小且无宏观偏析的内部组织，解决了高速钢的偏析问题，而且 提高了高速钢的纯净度，提高了质量，延长了使用寿命。经过合适的热 处理后，最终使生产出的喷射成形高速钢夹杂物少，塑性好，质量高， 易锻轧加工。与传统粉末冶金高速钢相比，由于制备工序更少，喷射成 形高速钢的成本明显降低。研究表明，高速钢的抗弯强度与极限缺陷直 径的平方根成反比，因此消除内部大尺寸的夹杂物成为提高高速钢强度 和质量的根本途径之一。经过热处理后，所有高速钢都主要由两种基本 成分组成---种是碳化物(碳化钨、碳化钼或碳化钒等)，它使刀具具备 良好的耐磨性；另一种是分布在碳化物周围的回火马氏体钢基体，使刀 具具有较好的韧性和防止碎裂的能力。如果硬度高的碳化物在相对硬度 较低、韧性高的钢基体上分布不均匀，会直接导致制成的刀具和模具寿 命縮短，而双扫描喷射成形高速钢内部的碳化物在高速钢内部分布十分 均匀，因此，材料的耐磨性更好，使用寿命更长。此外，目前国际上对 高速钢的纯净度越来越重视，甚至把夹杂物(各种陶瓷颗粒，氧、硫、 磷等的含量)的含量多少作为评定粉末高速钢优劣的标准。但是，我国 高速钢标准中，目前只规定碳化物的不均匀度，并未对夹杂物规定检验 条款。本发明从制备工艺上采取各种措施大幅度减少夹杂物，特别是大
尺寸夹杂物(〉50ym)的数量，可以明显提高喷射成形高速钢的韧性、 抗弯强度和疲劳极限。
具体实施例方式
本发明的技术方案包括以下步骤 (1)采用高纯氮气作为熔炼保护性气体和雾化气体；在真空感应
5熔炼炉内的高速钢母合金熔化前，熔炼室和雾化室的洗气操作采用高纯
氮气(N2>99.9%wt， 02<2ppm)。并采用高纯氮气作为喷射成形高速钢的雾化气体。采用N,'不但降低成本，而且氮元素可以与高速钢一些成分生成有益相，提高沉积坯的致密度；
(2) 钢液喷射成形前，对熔炼室和雾化室进行洗气操作；将高速钢母合金料放入真空感应炉内加热，并在合金料熔化前，采用机械泵和增压泵对熔炼室和雾化室抽真空，真空度低于10—'Pa，关闭各真空阀，向两室内充入高纯氮气，当压力接近lat.m后，抽真空，真空度低于10 —'Pa，重复操作至少三次；
(3) 采用部分稳定氧化锆陶瓷过滤器过滤钢液；在高真空气氛中熔化并精练后的高速钢钢液，在倾倒入中间包时，采用部分稳定氧化锆陶瓷过滤器过滤钢液；
(4) 真空熔炼；采用真空熔炼工艺，真空度低于l(TPa;在进行喷射成形前，向熔炼室和雾化室内充入高纯氮气，气体压力接近latm;
(5) 高速钢喷射成形制备；高速钢钢液按一定速度缓慢倒入已被
加热好的中间包内，钢液经中间包过滤，通过导流管，在雾化喷嘴被高
压高纯N2雾化成大量细小的熔滴，熔滴高速飞行并沉积在沉积器上形成沉积坯；
(6) 当喷射成形完毕后，雾化室内抽真空。当雾化沉积完成后，
采用机械泵和罗茨泵把雾化室和烙炼室抽成真空状态。实施例
采用的高速钢母合金料成分为(wt%): Cl. 5; W12. 3; Co 4. 66; V 5. 2;Cr 4.16; Mo 0.22;余Fe。放入合金料的重量多少由坩埚大小决定。
喷射成形制备纯净化高速钢的主要操作过程是将高速钢母合金料
放入双喷扫描雾化喷射成形设备的真空感应熔炼炉内，给电，加热，在高速钢熔化前，采用机械泵和增压泵对熔炼室和雾化室抽真空，真空度
低于10"Pa，关闭各真空阀，向两室内充入高纯氮气，当压力接近latm后，抽真空，真空度低于l(TPa;在母合金熔化前，采用高纯氮气(N2>99.9%， 02<2ppm)对熔炼室和雾化室进行洗气操作，重复三次，抽真空(低于10—:''Pa);同时把高纯氮气作为喷射成形高速钢的雾化气体。采用队不但降低成本，而且元素氮可以与高速钢一些成分生成有益相，提高沉积坯的致密度和强度；在真空气氛中熔化并精练后的高速钢钢液在倾倒入中间包时，采用部分稳定氧化锆陶瓷过滤器过滤钢液；在进行喷
射成形前，向熔炼室和雾化室内充入高纯氮气，气体压力接近latm;进
行高速钢喷射成形制备，把钢液按一定速度缓慢倒入已被加热好的中间包内，钢液经中间包过滤，通过导流管，在雾化喷嘴被高压高纯化雾化成大量细小的熔滴，熔滴高速6行并沉积在沉积器上形成沉积坯。雾化完成后，通过机械泵和罗茨泵把雾化室和熔炼室抽成真空气氛。
权利要求
1.一种纯净化制备双扫描喷射成形高速钢的方法，其制备方法是，(1)在10-3Pa真空气氛中熔化并精练后的高速钢钢液，在倾倒入中间包时，采用氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷过滤器过滤钢液，钢液喷射成形前，对熔炼室和雾化室进行洗气操作，即将高速钢母合金料放入真空感应炉内加热，并在合金料熔化前，采用机械泵和增压泵对熔炼室和雾化室抽真空，真空度低于10-3Pa，关闭各真空阀，向熔炼室和雾化室内充入N2＞99.9％wt，O2＜2ppm的高纯氮气，当压力接近1atm后，抽真空，真空度低于10-3Pa，重复操作三次；(2)向熔炼室和雾化室内充入N2＞99.9％wt，02＜2ppm的高纯氮气，气体压力接近1atm；(3)把精炼均匀的高速钢钢液按每分钟50公斤的速度缓慢倒入已加热的中间包内，钢液经中间包过滤，通过导流管，将钢液在雾化喷嘴处以压力70atm、纯度N2＞99.9％wt，O2＜2ppm的氮气雾化成熔滴，熔滴沉积在沉积器上形成沉积坯；(4)当雾化沉积完成后，把雾化室和熔炼室抽真空，使高温沉积坯处于真空状态，真空度低于10-2Pa；(5)当沉积坯温度低于200℃，可以破真空，取出沉积坯。
全文摘要
本发明属于材料加工领域，涉及一种纯净化制备双扫描喷射成形高速钢的方法。首先在真空气氛中熔化并精练后的高速钢钢液，采用氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷过滤器过滤钢液，钢液喷射成形前，对熔炼室和雾化室进行洗气操作，再向熔炼室和雾化室内充入高纯氮气，气体压力接近1atm；把精炼均匀的高速钢钢液缓慢倒入已加热的中间包内，钢液经中间包过滤，通过导流管，将钢液雾化成熔滴，熔滴沉积在沉积器上形成沉积坯。当沉积坯温度低于200度，取出沉积坯。本发明在喷射沉积的每一步操作中，减少有害的陶瓷颗粒和氧化物的混入、降低气体等不利元素的含量，不但解决了高速钢的偏析问题，而且提高了高速钢的纯净度。
文档编号B22F3/115GK101559490SQ200910130880
公开日2009年10月21日 申请日期2009年4月17日 优先权日2009年4月17日
发明者娜 刘, 勇 张, 张国庆, 周 李, 华 袁, 许文勇 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院