一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法

本发明属于粉末冶金高速钢制备，具体涉及一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法，尤其涉及一种以烧结过程中原位生成富含钛的碳(氮)化物来强硬化粉末冶金高速钢的方法。

背景技术：

1、作为一种莱氏体钢，高速钢具有较高的硬度、耐磨性、强韧性的良好结合以及相应的高温工作性能。它已成为制造各种现代刀具和模具的首选材料，尤其是形状复杂的刀具。与传统铸锻高速钢相比，采用预合金粉末烧结的方法制备粉末冶金高速钢能抑制偏析，且晶粒细小、碳化物分布均匀，具有更高的强度、韧性和耐磨性能等。

2、随着钛合金、特殊性能钢、高温合金等难加工材料的用量不断增加，现代机械加工行业对工模具材料的硬度、耐磨性、强度和冲击韧性等力学性能提出更高的要求。粉末冶金高速钢经常与硬质合金竞争用作切削刀具材料。相对超硬工具材料来说，粉末冶金高速钢相对低的制造成本和高韧性更易被接受，但粉末冶金高速钢的硬度、耐磨性能相比超硬工具材料需要进一步提升。硬质碳化物颗粒常被用于增强高速钢，采用二者复合有望融合各自的优势。tic(或ticn)是典型的硬质增强颗粒，具有高的硬度和热稳定性，其与高速钢复合有较大潜力提高材料的红硬性和耐粘着性。然而，在高速钢粉末中混入tic(或ticn)颗粒后，通过成形和烧结制备高速钢，存在颗粒不易分散、烧结后碳化物常聚集在晶界以及与基体界面结合较差的问题，显著降低了材料的强度和韧性。由于ti与c的亲和力很强，在钢冶炼时的通常只添加微量的ti作为孕育剂，ti的添加量过大会在熔体中形成粗大的碳化物，而且ti元素在高温下也易氧化烧损。因此，无论是常规熔炼高速钢还是制造高速钢粉末，都很难提高钢中的ti含量，也就无法直接在钢中形成大量ti的碳化物。

技术实现思路

1、针对传统高速钢铸锻/粉末冶金高速钢中的强碳化物含量不足，硬度等性能难以满足钛合金、特殊性能钢、高温合金等难加工材料的加工要求；且传统高速钢铸锻/粉末冶金高速钢中很难提高ti含量、形成大量富含ti的碳化物，而在高速钢粉末中加tic(或ticn)颗粒后烧结又难以使增强相均匀分布，显著降低了材料强韧性等问题，本发明的目的在于提供了一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法。通过本发明的制备方法所制备的粉末冶金高速钢中钛含量大于1％，且具有高致密度、高力学性能的特征。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法，将预合金化的高速钢原料粉末和钛源粉末进行高能球磨，形成ti过饱和固溶的亚稳态粉末，再与碳粉、成型剂混合获得原料混合粉末，压制成形获得生坯，将生坯于采用真空环境或低压氮气氛下烧结，即得到原位生成富含钛的碳化物或碳氮化物的粉末冶金高速钢。

4、本发明的制备方法，先采用预合金化的高速钢原料粉末和钛源粉末高能球磨，形成ti过饱和固溶的亚稳态粉末，发明人发现，ti元素可以通过机械合金化固溶于高速钢粉末中，再经过粉末的成形与烧结，原位形成弥散的富含ti的碳(氮)化物，且碳(氮)化物的大小、形貌可控，与基体的界面结合强度高，可在保持或少许降低高速钢强韧性的情况下显著提升硬度和耐磨性。

5、作为优选方案，本发明一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法：所述高速钢原料粉末选自高速钢t15粉末、高速钢t42粉末、高速钢m2粉末、高速钢m3:2粉末、高速钢m4粉末中的一种。

6、本发明所用的高速钢原料粉末均为市售的高速钢预合金粉。

7、作为优选方案，本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法，所述钛源粉末为钛粉和/或钛铁中间合金粉。本发明中钛源粉末采用市售的钛源粉末。

8、作为优选方案，本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法，所述钛源粉末加入量以钛为计，占原料混合粉末质量的2～9％。钛的含量控制在本范围内，最终所得材料的性能最优，若是钛源粉末的加入量过多，形成的碳化物含量更多，高速钢的塑形韧性损失相对较大；加入量过少硬度提升不明显。

9、作为进一步的优选方案，所述钛粉为氢化脱氢钛粉。其加入量为原料混合粉末质量的2～9％。发明人发现，氢化脱氢钛粉粒度小、更容易机械合金化，而且含氧量低，以其为原料，最终所得粉末冶金高速钢性能更优。

10、作为进一步的优选方案，所述钛铁中间合金粉为feti70-a粉。由于feti70-a粉中ti含量为70％，因此其加入量为原料混合粉末质量的3～13％。

11、作为优选方案，本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法，所述高能球磨在保护气氛下进行，球料比为10-15：1，高能球磨的转速为200～400rpm，高能球磨的时间24～48h。通过采用上述的球磨工艺，可以使ti元素在高速钢基体中机械合金化，突破了ti元素在高速钢基体中固溶度极限，形成ti过饱和固溶的亚稳态粉末，一方面使ti在铁基体中均匀分布，为烧结过程中富ti的碳(氮)化物原位弥散析出打好了基础；另一方面减小了ti的活度，降低了金属氧化物还原的难度。此外，高能球磨后的粉末粒度减小，在真空气氛下充分还原了金属氧化物，烧结活性增大，促进成形生坯的烧结致密化。

12、进一步的优选方案，所述高球球磨时，球磨罐与磨球均为不锈钢材质。

13、作为优选方案，本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法，所述碳粉为胶体石墨，所述碳粉的粒径为1～3μm。发明人发现，采用上述粒度的胶体石墨，在混合粉末中可以更好的分散，从而有利于烧结时原位形成富含钛的碳化物或碳氮化物。

14、作为优选方案，本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法，所述碳粉的加入量为原料混合粉末质量的0.8～2.5％。将碳粉的含量控制在该范围内性能最优，若碳粉含量过小不利于ti充分形成碳化物，过多会导致碳化物粗大，对力学性能有害。

15、作为优选方案，本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法，所述成型剂为聚乙二醇4000，所述聚乙二醇4000的加入量为原料混合粉末质量的1～2％。

16、作为优选方案，本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法：所述压制成形的方式为冷压，所述压制成形的压强为100～200mpa。

17、作为优选方案，本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法：采用真空环境下烧结时，真空度≤10-2pa，烧结的温度为1140～1220℃，烧结的时间为60-120min。

18、采用真空环境下，形成富含钛的碳化物增强粉末冶金高速钢。

19、作为优选方案，本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法：采用低压氮气氛下烧结时，先于真空下升温至烧结温度，再通入氮气，使氮气气氛压力为102～104pa，烧结的温度为1120～1200℃，烧结的时间为60-120min。在实际操作过程中采用高纯氮气。

20、在低压氮气氛下，氮元素可以取代高速钢中部分的碳，与钛形成碳氮化物强化相。

21、本发明公开一种高钛含量粉末冶金高速钢的制备方法：包括如下步骤：

22、步骤1

23、称取高速钢原料粉末和钛源粉末，ti元素占原料混合粉末的2～9wt.％，将两种末置于球磨罐中，然后抽真空，后充入惰性气体，如氩气，密封。通过高能球磨使钛元素机械合金化，形成钛元素过饱和固溶的亚稳态粉末，再将0.8～2.5wt.％的碳粉、1～2wt.％的聚乙二醇4000添加到球磨罐中，加入适量的无水乙醇后湿球磨，将混合均匀的粉末置于真空干燥箱中完全干燥，然后过100目标准筛。

24、步骤2

25、将球磨混合后的粉末用压力机模压成形，压强为100～200mpa。

26、步骤3

27、将压制好的生坯在真空度优于10-2pa的气氛下烧结，烧结温度为1140～1220℃，保温时间为60-120min；或者先在真空下升温至1120～1200℃，再通入氮气使炉内的氮气压力保持为102～104pa，烧结60-120min，然后随炉冷却，得到高钛含量的粉末冶金高速钢。

28、本发明通过普通模压成形制出各种形状复杂的坯体。

29、采用本发明上述方式所制备的一种高钛含量粉末冶金高速钢，钛含量为2～9wt.％，烧结过程中钛与碳(氮)原位反应生成弥散分布的近球形的碳(氮)化物，能够使烧结高速钢保持较高的强度，同时提升硬度和耐磨性。

30、原理和优势

31、本发明通过惰性气氛下高能球磨高速钢原料粉末和钛源粉末，使ti元素在高速钢基体中机械合金化，突破了ti元素在高速钢基体中固溶度极限，一方面使ti在铁基体中均匀分布，为烧结过程中富ti的碳(氮)化物原位弥散析出打好了基础；另一方面减小了ti的活度，降低了金属氧化物还原的难度。此外，高能球磨后的粉末粒度减小，在真空气氛下充分还原了金属氧化物，烧结活性增大，促进成形生坯的烧结致密化。

32、本发明烧结保温阶段也能采用低压氮气氛，氮元素可以取代高速钢中部分的碳，与钛、钒形成碳氮化物强化相；而多余的碳溶入基体，可降低液相生成的温度，从而降低烧结致密化的温度。

33、总之本发明通过高能球磨高速钢原料粉末和钛源粉末，增加了ti元素的固溶极限，也提高了粉末的烧结活性，在粉末烧结过程中原位反应生成富ti的碳(氮)化物来强化基体，得到了高致密度、高力学性能的粉末冶金高速钢烧结体。