粉末冶金耐磨工具钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种工具钢，尤其涉及一种粉末冶金耐磨工具钢。
【背景技术】
[0002] 工具钢广泛应用于加工制造领域，为了使工具钢所制作工具具备长的使用寿命， 工具钢应同时具备包括耐磨性能、冲击韧性、抗弯强度以及硬度等四个方面的优异性能。正 常使用条件下，耐磨性能决定了使用寿命的长短。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。钢中存在的硬质第二相包括凡(：、M 2C、 M23C6、M7C3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，提高模具的使用寿命。工具钢的冲击韧性以及抗弯强度是反映韧 性的重要指标，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。为了避免塑性变形的发生，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模具钢受到工艺 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 锻工模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模具钢解决了 合金元素偏析的问题，粉末冶金工艺制备工模具钢的主要步骤包括：雾化制粉一粉末固结 成形，在上述雾化制粉环节，钢液被快速冷却成粉末，钢液中合金元素来不及偏析即完全凝 固，粉末固结成材后组织细小均匀，相比铸锻合金性能有大幅度提升，目前对于一些性能要 求极高的高合金工模具钢只有采用粉末冶金工艺进行制备才能满足要求。采用粉末冶金工 艺制备工具钢已有报道，但部分钢种成分设计不够合理，组织及性能有待进一步提高。
【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粉末冶金耐磨 工具钢。
[0005] 为实现上述目的，本发明的粉末冶金耐磨工具钢其化学组分按质量百分比计 包括：V :12· 2%-16· 2%，Nb :1· 1%-3· 2%，C:2. 6%-4· 0%，Si:彡 2. 0%，Mn :0· 2%-1· 5%，Cr : 4· 0%-5· 6%，Mo :彡 3. 0%，W :0· 1%-L 0%，C〇 :0· 05%-0· 5%，Ν:0· 05%-0· 7%，余量为铁和杂质；所 述粉末冶金耐磨工具钢的碳化物组成为MC碳化物，MC碳化物的类型为（V、Nb) (C、Ν)。
[0006] 本发明通过合金成分的设计，以获得一种高耐磨工具钢，并同时具备高的冲击韧 性、抗弯强度以及硬度。
[0007] V元素的使用对于提高耐磨性能非常重要，V是形成MC型碳化物的主要元素，V含 量控制范围为12. 2%-16. 2%。
[0008] Nb的作用与V类似，参与形成MC碳化物，本发明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I. 1%-3. 2%。
[0009] C元素是MC碳化物的组成元素之一，C的含量不小于2. 6%，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4. 0%，避免过多C固溶于基体，在上述C含量为 2. 6%-4. 0%范围内，能够获得最大耐磨性能以及强韧性的配合。
[0010] 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 < 2. 0%。
[0011] 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· 5%。
[0012] Cr的作用一方面固溶于基体提高基体硬度，另一方面少量固溶于MC碳化物，促使 更多MC碳化物析出，因此Cr含量为4. 0%-5. 6%。
[0013] Mo、W的作用类似Cr，本发明Mo的含量范围是Mo彡3.0%，W的含量范围是 0· 1%-1· 0%〇
[0014] Co主要固溶于基体，促进碳化物析出，细化碳化物颗粒度，Co含量的范围为 0. 05%-0. 5%。
[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，限定N含量范围为0. 05%-0. 7%。
[0016] 通过添加大量的钒及碳合金元素形成MC碳化物，提高耐磨性能，同时添加一定量 的铬、钼以及硅等合金元素对基体起到强化作用并促进更多MC碳化物析出，除以上合金元 素外，本发明添加了一定量铌及氮合金元素，固溶于MC碳化物中，形成主要组成元素为C、 N、V、Nb的复合型MC碳化物，MC碳化物的类型为（V、Nb) (C、N)，目的在于提高MC碳化物形 核率，使析出MC碳化物能够更加细小，提高工具钢的韧性。铌及氮的添加量需要控制在合 适范围，避免高稳定性碳化物NbC、VN、NbN等形成。
[0017] 作为对上述方式的限定，所述化学组分中V当量Veq: 13. 0%_16. 0%，所述 Veq=V+0. 65Nb。
[0018] 作为对上述方式的限定，所述杂质包括0, 0 < 0. 01%。
[0019] 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。
[0020] 作为对上述方式的限定，其化学组分按质量百分比计包括：V :13. 0%-16. 0%，Nb : 1. 2%-2. 5%, C:2. 8%-3. 7%, Si: ^ I. 3%, Mn ：0. 2%-l. 5%, Cr ：4. 8%-5. 4%, Mo ： ^ 2. 0%, W ： 0· 1%-0· 5%，Co :0· 1%-0· 4%，Ν:0· 05%-0· 4%，0 彡 0· 008%，余量为铁和杂质。
[0021] 为了达到更好的综合性能，本发明粉末冶金耐磨工具钢中的各化学组分应控制在 要求范围之内。
[0022] 作为对上述方式的限定，所述杂质包括S，S < 0. 1%。
[0023] 作为对上述方式的限定，所述杂质包括P，P < 0. 03%。
[0024] 作为对上述方式的限定，所述MC碳化物的体积分数为16%_25%。
[0025] 作为对上述方式的限定，所述MC碳化物至少80V〇1%尺寸为0. 5~1. 3 μ m。
[0026] 作为对上述方式的限定，所述MC碳化物最大尺寸不超过5. 0 μ m。
[0027] 本发明的粉末冶金耐磨工具钢，可以采用如下方法制备，包括以下步骤： a、按上述化学组成要求制备工具钢钢液并转移至钢包； b、 通电加热钢包内钢液上表面覆盖的保护渣，维持钢液的过热度；在钢包底部通入惰 性气体对钢液进行搅拌； c、 将钢液通过钢包底部的导流管以稳定流量流入预加热的中间包，待钢液进入中间包 埋没导流管下端面时对钢液上表面施加保护渣； d、 对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度； e、 钢液从中间包进入雾化室后采用惰性气体进行雾化制粉，得到的金属粉末沉降至雾 化室底部，后进入具有保护气氛的储粉罐体，通过保护筛分装置对金属粉末进行筛分后再 进入储粉罐体储装； f、 在惰性气体保护下，将储粉罐体内的金属粉末转移至热等静压包套，待金属粉末振 动装填紧实后对热等静压包套进行抽真空脱气处理，对其端部进行封焊处理，随后进行热 等静压处理使金属粉末完全致密固结，完成粉末冶金工艺。
[0028] 上述的粉末冶金工艺包括非真空熔炼雾化制粉和热等静压环节，过程采用全流程 保护，以控制氧含量及碳化物形态，优化工具钢性能。钢包的保护渣具备隔绝空气以及导电 加热功能；钢包底部通过透气孔通入惰性气体，使钢包内不同位置钢液温度均衡，同时加速 有害夹杂的上浮去除；钢包底部的导流管一方面对钢液起到导流作用，减少钢液流转过程 产生紊流，避免卷渣及防止夹杂进入下一环节，另一方面导流管保护钢液流避免暴露于空 气，防止钢液氧含量上升；中间包的保护渣防止流经中间包的钢液直接与空气接触，减少钢 液氧含量的升高；钢液进入中间包前对中间包预加热，防止钢液进入中间包时局部凝结或 导致第二相提前析出；储粉罐内部具有气氛保护和强制降温冷却功能；粉末保护筛分装置 对粉末筛分过程起到保护作用同时防止粉末飘扬；储粉罐体与热等静压包套密闭连接，热 等静压包套在装粉前通入惰性气体排出空气，以控制氧含量。
[0029] 综上所述，采用本发明的技术方案，获得的粉末冶金耐磨工具钢具备优异的耐磨 性能，同时具备高的冲击韧性、抗弯强度以及硬度。本发明的工具钢由于特定的化学组成和 粉末冶金的快速冷却凝固工艺，形成的MC碳化物的类型为（V、Nb) (C、N)，使析出的MC碳 化物更加细小，提高工具钢的韧性，热处理后能够获得