一种粉末冶金高速钢及其制备方法与流程

本发明涉及高速钢领域，特别是一种粉末冶金高速钢及其制备方法。

背景技术：

1、高速钢是用于大切削量机械加工的重要工具材料，已被广泛应用于制造各种复杂形状刀具。与传统铸锻高速钢相比，采用粉末冶金的方法制备高速钢，可以解决熔融法生产过程中的碳化物粗大和偏析而造成的力学性能降低和热处理变形等问题，获得更高的力学性能。真空烧结是粉末高速钢常规制备方法之一，多采用超固相线液相烧结。烧结液相可加速物质的流动，有效地填充孔隙，从而促进坯体的致密化。

2、目前为止，改善粉末冶金高速钢强韧性的方法主要包括：引入合适的硬质相添加剂、细化晶粒、改变高速钢合金元素组成、优化烧结方法、改变淬回火工艺等。但外来硬质相颗粒易聚集，与铁基体之间的界面结合差，常常导致界面应力集中和裂纹萌生，进而降低材料的韧性，改变传统高速钢合金成分很难实现在不牺牲高速钢耐磨性的前提下提升韧性，而细化晶粒、优化烧结和热处理工艺等效果作用也十分有限。

3、晶须是高强度的一维单晶体，直径大约在1μm～10μm之间，其长度与直径之比在5～1000之间，其晶体结构与金刚石类似。由于晶须是高纯材料，只含有少量化学杂质，没有或者很少有内部结构缺陷，具有高熔点、低密度、高抗拉强度、高弹性模量、低热膨胀率以及与金属和陶瓷基体良好的相容性等优点。近些年，晶须增韧效果已在硬质合金和陶瓷材料等领域被证实，作为一种理想的材料增强补韧添加剂，晶须不仅适用于室温也适用于高温条件，可以使材料具有更高的耐磨、耐腐蚀、断裂韧性和高温力学性能。

4、由于晶须价格昂贵，目前晶须的添加仅存在于硬质合金和陶瓷等脆性材料的试验研究中，但对于在高硬度、高脆性的高速钢中添加晶须增韧则鲜有报道。且晶须极易产生严重的团聚和缠绕，大大影响其补强增韧效果的发挥，部分分散剂在与基体材料混合后也可能对材料产生不利影响。

5、稀土的添加对金属材料的影响已有不少研究，已足够表明添加稀土或稀土化合物可以阻碍晶粒长大、净化组织，提高材料强韧性等力学性能。目前在金属材料中添加稀土的方式基本为添加纯单质稀土、添加稀土氧化物和添加稀土预合金粉，由于绝大部分稀土具有很高的化学活性，极容易被氧化，稀土氧化物润湿性差、可能对材料基体产生不利影响，而预合金粉成本较高、可能引入不需要的合金元素，因此，均很难应用到实际生产中。单一的添加稀土往往在提高材料韧性的同时会对材料的强度、硬度和耐磨性等起到负面作用。纯单质稀土甚至一些稀土化合物即使在室温下也具有很高的化学活性，极容易被氧化，不利于大规模的工业生产操作，很难应用到实际生产中，而稀土氧化物则可能对材料基体产生不利影响，因此，合适的稀土添加方式以及添加稀土但不牺牲材料强度是发挥稀土作用的关键所在。

6、公开号为cn113512687a的中国专利公开了一种复合稀土增强粉末冶金高速钢及其制备方法，稀土元素的添加在高速钢中有良好的净化与细化晶粒的作用，稀土在晶界和奥氏体的富集可以有效地改善晶界，减少碳化物的偏析，降低其热稳定性使其加热易于溶解，从而产生较好的固溶强化效果，大大增加了高速钢的强度。该专利通过添加复合稀土元素得到复合稀土增强粉末冶金高速钢。该专利通过添加复合稀土元素仅能提升高速钢的硬度及耐磨性，不能有效地改进粉末冶金高速钢的韧性。

7、综上所述，目前粉末冶金高速钢的韧性提升主要依靠添加硬质相、改变合金元素组成、改变烧结和热处理工艺等，但这些方法均难以兼顾粉末冶金高速钢的耐磨性和韧性。稀土在高速钢中的添加虽然有较多报道，但纯单质稀土和稀土氧化物的添加方法和此消彼长的材料性能使得难以实现材料的大规模工业生产。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种兼顾高耐磨性和高韧性两个方面的粉末冶金高速钢及其制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种粉末冶金高速钢的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、取包括以下重量份组分的高速钢粉：1.08～3.4份c、3.75～4.2份cr、2.5～5.25份mo、3.1～6.5份v、9～14.5份w、8～11.5份co；

4、s2、在s1的高速钢粉中加晶须分散液，所述晶须分散液中包括0.1～2重量份晶须，球磨、取出浆液进行真空干燥、过筛；

5、s3、称取1.6-5重量份的环烷酸稀土，环烷酸稀土中稀土ce的质量分数为8％～12％，与成型基质混合并溶解在溶剂中制备成型剂；

6、s4、将s2中干燥过筛后得到的粉末与s3中制得的成型剂混合研磨、过筛、制得压坯料，模压成型、烧结、热处理、精加工制得粉末冶金高速钢。

7、本发明通过粉末冶金法制备高速钢，在高速钢配方的基础上，通过在粉末球磨后期添加分散均匀的晶须分散液，并通过环烷酸稀土和成型基质混合的方式引入稀土元素ce，利用晶须对裂纹扩展的抑制作用和稀土元素对材料组织中有害元素的吸附性提高粉末冶金高速钢的强韧性，保证稀土元素在添加时不易被氧化。

8、进一步优选地，所述粉末冶金高速钢的组分重量份为：2～2.45份c、3.8～4份cr、3.6～5份mo、5.1～6.3份v、11～14.3份w、8.5～11份co、0.2～0.8份的晶须、0.2～0.6份ce。

9、在本发明的一个优选的实施例中，s2中晶须分散液的制备方法为取0.1～2重量份晶须，按1:8-12的质量比在乙醇乙二醇混合溶液中超声分散均匀。

10、晶须需制成均匀的晶须分散液，混合溶液太少则分散效果不佳，太多则会影响球磨介质浓度，制成的分散液需超声分散，如果未经超声处理，则晶须会缠绕在一起，表现在材料性能不均匀；而超声分散时间过长则会打碎晶须，无法发挥晶须的增强增韧作用。

11、分散后的晶须分散液需及时添加至球磨后的高速钢粉中，再通过一定时间的后续球磨才可使晶须均匀分散在高速钢粉中，以保证晶须在体系中的分散效果。

12、在本发明的一个优选的实施例中，s2中所述晶须为sic晶须或tic晶须。

13、在本发明的一个优选的实施例中，s1中所述高速钢粉采用以下方法制备而成：

14、将高速钢粉采用wc、mo2c、cr3c2、vc、石墨粉、co和fe粉为原料，按s1中所述重量份进行配制；

15、s1中球磨介质为无水乙醇，球料比为3～10:1，转速为200～300r/min，球磨时间为24～72h。进一步优选地，球料比为4～8:1，转速为250～300r/min。

16、球料比太小或球磨时间太少，粉末分散不均匀，做出来的高速钢组织和性能不均匀，存在缺陷，球料比太大或球磨时间太长，耗能大，粉末太细，有自燃风险，生产上很难控制。

17、高速钢粉可直接外购，也可以采用上述方法制备而成。

18、在本发明的一个优选的实施例中，s2中球磨时间为1-6h。添加晶须分散液后研磨时间为1-6h，让晶须在粉末中分散均匀，如果研磨时间过长，那球磨会对晶须的结构产生破坏，导致晶须被打碎，从而没有增韧作用，且球磨会提高晶须表面活化能，导致晶须团聚，研磨时间过短，则分散作用差，晶须本身有缠绕。

19、s2中真空干燥的温度为75℃～85℃。

20、在本发明的一个优选的实施例中，s3中成型基质为橡胶、石蜡、聚乙二醇中的一种或多种。

21、在本发明的一个优选的实施例中，s2中超声分散时间为0.5h-2h。通过超声分散+短时间球磨的方式在不破坏晶须结构的前提下，减少晶须团聚。

22、在本发明的一个优选的实施例中，s3中溶剂为有机溶剂。所述有机溶剂为汽油、白电油、丙酮中的一种或多种。

23、在本发明的一个优选的实施例中，s2中过筛的目数为80-200目。

24、在本发明的一个优选的实施例中，s4中压坯料的模压压力为200mpa～400mpa。

25、在本发明的一个优选的实施例中，s4中烧结采用真空烧结或微波烧结，烧结的温度为1150℃～1300℃，保温时间为0.5-2h。

26、在本发明的一个优选的实施例中，s4中淬火温度为1150℃～1220℃，保温时间为2-5分钟。

27、在本发明的一个优选的实施例中，s4中热处理过程为三次回火，回火保温温度为500-600℃，每次回火保温0.5-1h。

28、s3中成型基质的重量份为3-10，溶剂质量与成型基质的质量比为1:1。进一步优选地，s3中成型基质的重量份为2.5-4。

29、本发明还公开了所述的粉末冶金高速钢的制备方法制得的粉末冶金高速钢。

30、传统粉末冶金高速钢在高耐磨性和高韧性两个方面很难兼顾，尤其是对于高碳高合金元素的高速钢，虽然可以获得较高的耐磨性，但韧性较低，材料极易脆断开裂，仅通过细化晶粒、改变高速钢合金元素组成、优化烧结和热处理工艺等，并不能解决该问题。

31、晶须通过扩展或延长裂纹断裂路径消耗更多的断裂能，从而达到材料增强增韧的目的，其主要机理为裂纹偏转、纤维拔出、桥联、弥散和纳米增强等，但晶须极易团聚，团聚的晶须在材料中形成较多缺陷，而部分分散方式和分散剂也可能对晶须结构和基体材料有不利影响。

32、本发明涉及粉末冶金高速钢配方和制备方法，在粉末冶金高速钢制备时复合添加纳米晶须和稀土元素，通过将晶须进行超声前处理并在高速钢粉末球磨后期加入、将稀土元素通过环烷酸稀土与粉末成型剂同时加入的方法，避免了晶须团聚和稀土易氧化的问题，实现了材料的工业化生产，并使粉末冶金高速钢能有效利用晶须在弥散强化、晶须拔出、裂纹偏转、裂纹桥接等方面对高速钢性能的有利影响和稀土在细化晶粒、提高致密度、净化界面、改善黏结相等方面对高速钢的强韧化作用，实现了高速钢在不牺牲耐磨性的前提下对韧性的提升。

33、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

34、1、本发明在粉末冶金高速钢中添加晶须增强增韧，提高晶须的分散效果。

35、2、环烷酸稀土富含稀土ce元素，能长期在室温条件下保存，本发明将环烷酸稀土作为粉末成型剂，在不改变原有工艺的前提下引入稀土元素ce，解决稀土易氧化的问题。

36、3、本发明在粉末冶金高速钢制备过程中提出了复合添加晶须和稀土的材料增韧方法及工艺，利用晶须材料在弥散强化、晶须拔出、裂纹偏转、裂纹桥接等方面对高速钢性能的影响和稀土元素在细化晶粒、提高致密度、净化界面、改善黏结相等方面对粉末冶金高速钢的强韧化作用，实现了高速钢耐磨性和韧性的同步提升。