本发明涉及一种新型粉末冶金高速钢，即氮化铝弥散强化型耐氧化粉末冶金铝高速钢，以及其制备方法和近净成形工艺。
技术背景
高速钢可分为高端的粉末冶金高速钢和普通铸锻高速钢两种，前者由于消除了后者所存在的粗大偏析显微组织，具有细小且均匀分布的碳化物，因而具有各向异性且优异的综合力学性能。但是，我国至今不具备高端粉末冶金高速钢的生产能力。这主要是由于其生产流程较长、设备投入大、技术门槛高，涉及电渣重熔、气雾化和热等静压等核心设备与技术。如今，粉末冶金高速钢已走过三代，杂质含量和合金化方案的优化是升级的关键点。
铸锻铝高速钢是我国自主发明的一种新型高速钢，但是至今无氮化铝强化型铝高速钢。铝具有类似钴元素的作用，即增大碳元素的扩散能力、改善钢的回火二次硬化、提高马氏体转变温度和提高红硬性等，如河冶的6w-5mo-4cr-2v-al。再如中国发明专利cn106086587a、cn101797630a以及cn102925820a等铝硼高速钢大多采用废钢熔炼-铸造-热处理生产，原料成本降低的同时却也降低了材料的综合性能，仅适用于轧辊等机加工领域，而本发明中的粉末高速钢材料具有杂质含量低，短的工艺流程、低的设备投入即可获得具有更多应用领域的高强高硬工具材料，而且传统铝高速钢的耐磨性已远不能满足工模具材料对耐磨性的要求，其解决途径有三种：第一、增加高速钢的合金元素含量，如asp2060粉末冶金高速钢等；第二，引入硬质点强化，如tic、aln等；第三，进一步增加高速钢的红硬性和抗氧化性，提高其高温服役能力。
aln属于共价键晶体，在标准状态条件下，aln的分解温度为2708k，有很好的热稳定性，可以认为在标准大气压下aln没有熔点。且aln是一种硬度较高且与fe及其液相难以发生大量扩散反应而相对稳定存在的硬质相，如果引入到高速钢中，则有望同时提高钢的耐磨性和抗氧化性，大大优化传统高速钢的服役能力。传统粉末冶金高速钢由于存在真空熔炼-电渣重熔和气雾化工序，在引入高熔点硬质点或更多合金元素时，所需的较高熔化温度使现有设备(耐热件承受温度一般小于1850℃)难以完全熔化和雾化钢液。因而，传统粉末冶金高速钢难以引入aln质点进行强化，并且采用高速钢雾化合金粉末和aln粉末混合后进行超固相液相烧结时，极易出现合金莱氏体和aln颗粒的沿晶界链状分布，造成材料的韧性急剧恶化。
结合上述分析，有必要找到一种在高速钢中均匀引入aln颗粒的方法。本发明采用新型粉末冶金高速钢直接制备工艺(dft)，有望避免aln在高速钢中的链状分布，实现铝元素和氮对铁基体的固溶强化，同时提高新型粉末冶金高速钢的耐磨性和抗氧化性。另外，aln颗粒的引入也有望抑制奥氏体晶粒的长大和碳化物的溶解析出机制，进而细化组织，扩大高速钢的热处理窗口以及降低其热处理过热倾向。
技术实现要素：
本发明的目的在于开发出一种新型氮化铝弥散强化型耐氧化粉末冶金铝高速钢，使其满足在现代工业中人们对粉末高速钢高耐磨性和高抗氧化性的要求，进一步扩大其在工模具领域的应用。
本发明为制备此新型高速钢，还提出了一种完全不同于传统气雾化-热等静压流程的新型dft工艺，该工艺具有可近净成形、流程短、污染小、能耗少、生产成本低的特点，且易引入强化相，无熔炼合金化限制。该工艺由混合料湿磨、制粒、压制成型、氢气&加压烧结以及真空热处理等步骤组成。具体按照以下技术方案实现：
一种新型氮化铝弥散强化粉末铝高速钢材料，其特征在于：其原材料元素百分含量分别为：(2.0～12.0)w，(2.0～12.0)mo，(2.0～20.0)cr，(0.2～10)v，(1.0～15.0)co，(0.8-3.2)c，(23.8～91.95)fe，并加入(0.05-4.0)aln微粉，原材料以高纯羰基铁粉、钴粉、炭黑粉末、碳化钨、碳化钼、碳化钒、碳化铬、氮化铝等金属粉末加入，粒度范围为0.05-10微米，粉末的氧含量均小于0.1％,并以硬脂酸为粘结剂。
本发明还公开了一种新型氮化铝弥散强化粉末铝高速钢材料的制备方法，其特征在于所述成分铝高速钢通过以下步骤完成的：
步骤1：按权利要求1所述的组份配比称取原材料粉末，统一过80目筛，并手动混合均匀；
步骤2：将混匀粉末加入到滚筒式球磨机中，磨球材质为氧化锆球或硬质合金球，球磨介质为酒精或正己烷，球料比2:1～5:1，球磨时间24-32小时，制得粉末混合物料浆；
步骤3：将混合物料浆倒入自制的搅拌干燥器中进行搅拌干燥，干燥温度为75～95℃；之后将粉末放入到擦筛造粒机，加入1％硬脂酸和适量酒精进行擦筛造粒；
步骤4：将步骤3所得预混合粉末按照产品形状设计模具，压制压力为150～400mpa；
步骤5：将粉末压坯放入氢气炉中进行脱脂和脱氧预烧；然后在保护气氛中转运压坯至氩气加压低压烧结炉，进行加压烧结，烧结温度1100-1250℃，保温30-180分钟，烧结压力为10-40mpa，以实现制品的全致密化烧结；
步骤6：将烧结后坯料在真空烧结炉中经过850℃一级预热，1100～1200℃保温一定时间，然后在550℃分级淬火，油冷到室温，之后进行560-580℃回火三次，每次不少于1小时。
作为对本发明的进一步改进，步骤5中氢气脱脂和脱氧烧结工艺是保证坯体极低氧含量和全致密的关键，采用的脱脂温度为350-450℃，脱氧温度为800-1000℃。
上述制备的氮化铝弥散强化型粉末冶金含铝高速钢材料，采用粉末压制成型，可以改善传统粉末冶金高速钢型材材料利用率低和难以近净成形的问题，实现了工件的近终形制备，大大增加材料利用率并降低工件的加工成本，在工模具和机械加工等领域都有着广泛的应用。
本发明的原理及有益效果在于：
1、aln颗粒的引入有望抑制奥氏体晶粒的长大和碳化物的溶解析出机制，进而细化组织，扩大高速钢的热处理窗口以及降低其热处理过热倾向，同时采用氢气&加压复合烧结技术，可率先实现氮化铝颗粒弥散强化粉末冶金铝高速钢的制备，具有短流程、高效率、性能优异、近净成形等特点。
2、采用了一种新型粉末冶金高速钢直接制备工艺(dft)，有效避免了aln在高速钢中的链状分布，并且实现铝元素和氮对铁基体的固溶强化，提高了新型粉末冶金高速钢的耐磨性和抗氧化性。
3、氮化铝强化铝高速钢具有介于传统高速钢和硬质合金与陶瓷材料之间的力学性能和耐磨性，因此，有望填充高速钢、硬质合金以及金属陶瓷之间的性能空白。同时，不同氮化铝含量的其他成分高速钢也方便研制和试用。
4、生产工艺易批量化生产，采用粉末冶金近净成形压制与烧结流程，摆脱常规加工余量大和成本高的弊病，实现氮化铝强化铝高速钢材料的高效、批量化、低成本、多形状及近净成形制造。
附图说明
图1为不同aln含量粉末冶金铝高速钢氧化增重曲线
图2为实施例1中制备的铝高速钢热处理态显微组织sem照片
图3为实施例2中制备的铝高速钢热处理态显微组织sem照片
图4为实施例3中制备的铝高速钢热处理态显微组织sem照片
图5为实施例4中制备的铝高速钢热处理态显微组织sem照片
图6为实施例5中制备的铝高速钢热处理态显微组织sem照片
具体实施方式：
以下由特定的具体实施例说明本发明的制备方式及工艺性能，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容全面地了解本发明的优点及作用。
实施例1：
1)将粒度为0.05-10微米，且氧含量均小于0.1％的6.39wt.％wc粉，5.31wt.％mo2c粉，4.62wt.％cr3c2粉、3.71wt.％vc粉，8.0wt.％co粉、0.05wt.％aln粉、1.21wt.％碳粉以及70.71wt.％羰基铁粉在滚筒式球磨机中进行混合湿磨，球磨介质为无水乙醇，硬质合金球为磨球，球料比4:1，球磨时间24小时，制备得到粉末混合物料浆；
2)将步骤1所得混合粉末料浆在搅拌干燥器中进行搅拌干燥，温度75℃，直至液体全部蒸发，之后将粉末放入到擦筛造粒机，加入1％硬脂酸和适量酒精进行擦筛造粒；
3)将混合粉末在自动压机下300mpa压制，保压时间30s，之后进行氢气脱脂、脱氧预烧后，进行加压烧结，烧结温度1140℃，保温150分钟，烧结压力为30mpa；
4)热处理：热处理工艺为：850℃一级预热，1160℃保温一定时间，550℃分级淬火，油冷到室温，580℃回火三次，每次回火1小时。得到所需的氮化铝弥散强化型粉末冶金含铝高速钢；
将按照上述方法制得的5组铝高速钢样品进行性能测试，测试结果如表1所示、氧化失重如图1所示、显微组织如图2所示。
实施例2：
1)将粒度为0.05-10微米，且氧含量均小于0.1％的10.66wt.％wc粉，5.31wt.％mo2c粉，3.46wt.％cr3c2粉、11.74wt.％vc粉，9.0wt.％co粉、0.25wt.％aln粉、3.2wt.％碳粉以及56.23wt.％羰基铁粉在滚筒式球磨机中进行混合湿磨，球磨介质为无水乙醇，硬质合金球为磨球，球料比3:1，球磨时间26小时，制备得到粉末混合物料浆；
2)将步骤1所得混合粉末料浆在搅拌干燥器中进行搅拌干燥，温度80℃，直至液体全部蒸发，之后将粉末放入到擦筛造粒机，加入1％硬脂酸和适量酒精进行擦筛造粒；
3)将混合粉末在自动压机下280mpa压制，保压时间30s，之后进行氢气脱脂、脱氧预烧后，进行加压烧结，烧结温度1120℃，保温120分钟，烧结压力为28mpa；
4)热处理：热处理工艺为：850℃一级预热，1200℃保温一定时间，550℃分级淬火，油冷到室温，570℃回火三次，每次回火1小时。得到所需的氮化铝弥散强化型粉末冶金含铝高速钢；
将按照上述方法制得的5组铝高速钢样品进行性能测试，测试结果如表1所示，显微组织如图3所示。
实施例3：
本实施例采取以下的技术方案：
1)将粒度为0.05-10微米，且氧含量均小于0.1％的2.13wt.％wc粉，3.19wt.％mo2c粉，9.23wt.％cr3c2粉、6.18wt.％vc粉，2.0wt.％co粉、5.0wt.％aln粉、0.8wt.％碳粉以及71.47wt.％羰基铁粉在滚筒式球磨机中进行湿磨混合，球磨介质为无水乙醇，硬质合金球为磨球，球料比为2:1，球磨时间27小时，制备得到粉末混合物料浆；
2)将步骤1所得混合粉末料浆在搅拌干燥器中进行搅拌干燥，温度75℃，直至液体全部蒸发，之后加入1％硬脂酸以及适量酒精进行擦筛造粒；
3)将混合粉末在自动压机下400mpa压制，保压时间30s，之后进行氢气脱脂、脱氧预烧后，进行加压烧结，烧结温度1130℃，保温120分钟，烧结压力为20mpa；
4)热处理：热处理工艺为：850℃一级预热，1120℃保温一定时间，550℃分级淬火，油冷到室温，560℃回火三次，每次回火1小时。得到所需的氮化铝弥散强化型粉末冶金含铝高速钢；
将按照上述方法制得的5组铝高速钢样品进行性能测试，测试结果如表1所示，显微组织如图4所示。
实施例4：
1)将粒度为0.05-10微米，且氧含量均小于0.1％的12.79wt.％wc粉，6.38wt.％mo2c粉，23.07wt.％cr3c2粉、5.31wt.％vc粉，10.0wt.％co粉、2.5wt.％aln粉、1.41wt.％碳粉以及38.54wt.％羰基铁粉在滚筒式球磨机中进行混合湿磨，球磨介质为无水乙醇，硬质合金球为磨球，球料比5:1，球磨时间30小时，制备得到粉末混合物料浆；
2)将步骤1所得混合粉末料浆在搅拌干燥器中进行搅拌干燥，温度80℃，直至液体全部蒸发，之后将粉末放入到擦筛造粒机，加入1％硬脂酸和适量酒精进行擦筛造粒；
3)将混合粉末在自动压机下360mpa压制，保压时间30s，之后进行氢气脱脂、脱氧预烧后，进行加压烧结，烧结温度1180℃，保温180分钟，烧结压力为26mpa；
4)热处理：热处理工艺为：850℃一级预热，1180℃保温一定时间，550℃分级淬火，油冷到室温，570℃回火三次，每次回火1小时。得到所需的氮化铝弥散强化型粉末冶金含铝高速钢；
将按照上述方法制得的5组铝高速钢样品进行性能测试，测试结果如表1所示，显微组织如图5所示。
实施例5：
1)将粒度为0.05-10微米，且氧含量均小于0.1％的9.59wt.％wc粉，10.63wt.％mo2c粉，12.12wt.％cr3c2粉、0.62wt.％vc粉，4.2wt.％co粉、3.8wt.％aln粉、2.2wt.％碳粉以及56.84wt.％羰基铁粉在滚筒式球磨机中进行混合湿磨，球磨介质为无水乙醇，硬质合金球为磨球，球料比3:1，球磨时间32小时，制备得到粉末混合物料浆；
2)将步骤1所得混合粉末料浆在搅拌干燥器中进行搅拌干燥，温度88℃，直至液体全部蒸发，之后将粉末放入到擦筛造粒机，加入1％硬脂酸和适量酒精进行擦筛造粒；
3)将混合粉末在自动压机下150mpa压制，保压时间30s，之后进行氢气脱脂、脱氧预烧后，进行加压烧结，烧结温度1200℃，保温120分钟，烧结压力为35mpa；
4)热处理：热处理工艺为：850℃一级预热，1100℃保温一定时间，550℃分级淬火，油冷到室温，575℃回火三次，每次回火1小时。得到所需的氮化铝弥散强化型粉末冶金含铝高速钢；
将按照上述方法制得的5组铝高速钢样品进行性能测试，测试结果如表1所示，显微组织如图6所示。
对比例1：
对比例1中仅将aln的加入量调整为4.0wt.％，羰基铁粉的加入量调整为66.76wt.％，其余碳化物粉末及单质粉末的重量百分比均与实施例1中相同，制备工艺、实验参数选择等均与实施例1中相同；
将按照上述方法制得的5组铝高速钢样品进行测试，结果如表1所示、氧化失重如图2。
对比例2：
对比例2中仅将aln的加入量调整为0wt.％，羰基铁粉的加入量调整为70.76wt.％，其余碳化物粉末及单质粉末的重量百分比均与实施例1中相同，制备工艺、实验参数选择等均与实施例1中相同；
将按照上述方法制得的5组高速钢合金样品进行测试，结果如表1所示、氧化失重如图2所示。
表1实施例中铝高速钢在热处理后的性能测试