CN100567548C - 一种高钒高钴高速钢的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高钒高钴高速钢的制造方法,其成分质量百分比为:C 1.1~2.18,W 5.0~8.0,Mo 4.0~6.0,Cr 3.0~5.0,V 1.2~8.3,Co 6.5~11.5,其余为Fe。工艺步骤包括制备母合金、喷射成形、热锻、淬火回火处理、车削铣削和磨削处理或进行TiN/AlTiN涂层处理。本发明省略了粉末冶金中粉末的筛分、混批、封装、冷、热等静压等工序,不需要昂贵的设备投资,且性能达到甚至超过粉末高速钢,节省了工艺成本,降低了高速钢的使用价格,广泛使用于各种刀具,如制造难加工材料的切削工具,特别适合制作高速切削、高热硬性、高寿命刀具如大型拉刀、剃齿刀和加工齿轮的滚刀、插齿刀、数控机床用各类铣刀等,还可用于制作模具等。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高合金化高速钢的制造方法,特别涉及高钒高钴高速钢的制造方法,以生产不同场合下使用的刀具。
背景技术
高钒高钴高速钢是一种高合金钢种。人们通常采用粉末冶金方法生产该类钢种,如中国专利公开号CN1087358C、CN1156595C所公开的高钒高钴高速钢,其组织均匀、无宏观偏析、碳化物弥散分布且无方向性。它兼具韧性与耐磨性,广泛用于制造难加工材料的切削工具,特别适合制作对于要求高速切削、高热硬性、高寿命的刀具如大型拉刀、剃齿刀和加工齿轮的滚刀、插齿刀、数控机床用各类铣刀等。
但是,粉末冶金的工序相当复杂,包括:熔炼、雾化、筛分、混批、封装、冷等静压、热等静压、热锻或热轧、解除封装、铣削、热处理和磨削等过程(C.Spiegelhauer.“Industrial production of tool steels using the sprayforming technology”.Proceedings of the 6th International ToolingConference,Karlstad,Sweden,10-13September 2002:1101~1108.)。这些工序进行过程中,需要热等静压等设备昂贵的投资以及雾化装置的尺寸要求比较大,而且粉末冶金材料的收得率比较低,能源利用率不高,因此粉末冶金高速钢的价格相当昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高钒高钴高速钢的制造方法,其工序比粉末冶金工序简单得多,省略了粉末冶金中粉末的筛分、混批、封装、冷等静压、热等静压等工序,不需要昂贵的设备投资,且最终材料的性能达到甚至超过成分相近的粉末高速钢,节省了工艺成本,降低了粉末冶金高速钢的使用价格,有利于机械制造业的广泛使用。
为达到上述目的,本发明的高钒高钴高速钢的制造方法,包括如下步骤:
1)制备母合金,其化学成分质量百分比为:C 1.1~2.18,W 5.0~8.0,Mo 4.0~6.0,Cr 3.0~5.0,V 1.2~8.3,Co 6.5~11.5,其余为Fe和不可避免杂质;
2)采用喷射成形工艺,将高钒高钴高速钢母合金棒料置于其坩埚内,并施加电流进行加热重熔,在高于熔点100~250℃温度下保持一段时间,使熔体的温度和成分达到均匀;通过喷嘴雾化器,其射流气体与金属液相互作用的距离短,使得液滴细化,细小液滴飞行并沉积在收集基板上,冷却凝固并形成块体;获得高钒高钴高速钢坯体;
3)热锻前,将喷射成形坯体表面剥皮,退火,将高速钢坯体加热到奥氏体化温度850~880℃,保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷,冷却速度≤30K/hr;
4)热锻,加热温度在1100~1180℃;加热保温时间t=d×(1.0~2.0)min/mm,d为锻造样品的厚度;热锻的锻造比为≥9∶1;
5)锻打后再进行退火,将高速钢加热到奥氏体化温度850-880℃,保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷,冷却速度≤30K/hr;
6)淬火处理,在电极盐浴炉中进行预热,预热温度850~880℃,盐浴介质为70~80%BaCl2+30~20%NaCl;采用电极盐浴炉加热到淬火温度1140℃~1230℃,盐浴介质是100%BaCl2;将试样放到冷却介质50%BaCl2+30%KCl+20%NaCl中冷却到600~650℃温度,空冷;
7)回火处理,将试样放到温度为500~580℃的介质100%NaNO3中进行回火处理,回火时间为0.5~1hr,回火次数1~4次;
进一步,还可对试样进行TiN或AlTiN涂层处理。
步骤6)所述的冷却介质采用50%BaCl2+30%KCl+20%NaCl。
本发明得到的高钒高钴高速钢使用性能达到甚至超过成分相近的粉末高速钢。
在本发明的具体生产工艺中:
(1)制备高钒高钴高速钢铸态母合金
采用真空感应炉冶炼冶高钒高钴高速钢的母合金,并将合金熔液浇铸到特制的耐火材料多孔模中,获得满足设计成分的母合金棒料;
(2)喷射成形
按喷射成形中频感应炉容量大小和形状要求,将高钒高钴高速钢母合金棒料按合理的尺寸大小置于其坩埚内,并施加电流进行加热重熔。由于合金含量比较高,在常规熔炼过程中容易出现合金元素的偏析和如鱼骨状、网状、块状共晶莱氏体碳化物。而喷射成形过程属于亚快速凝固过程,其冷却速度足以防止鱼骨状、网状、块状等共晶莱氏体碳化物和合金元素的偏析。不过,由于在喷射成形过程中,高钒高钴高速钢颗粒和液滴冲击基板后,在沉积成坯的同时会使坯的温度升高。如果过热度比较高的话,在沉积过程中存在的未凝固液滴里就有可能会出现影响材料性能的网状共晶莱氏体。因此对于高钒高钴高速钢来说,应遵循低温快浇的原则。但喷射成形的过热度也不能太低,因为如果太低,会使沉积的坯内孔洞增多。总之,在喷射成形过程中,控制钢液的过热度是关键因素之一。本发明采用的过热度高于钢的固液两相温度100~250℃。
此外,目前普遍用于喷射成形的雾化喷嘴是环缝非限制式喷嘴,容易实现连续生产,但其射流气体与金属液相互作用的距离长,气体的射流衰减快,因此能量利用率低,生产的粉末较粗。由于本发明中要求材料的显微组织晶粒非常细小,因此必须使熔体雾化时产生的液滴要非常细小,本发明使用的喷射成形雾化器是选用环孔紧密耦合型喷嘴,其射流气体与金属液相互作用的距离短,使得液滴细化,能量利用率高,该喷嘴为现有技术,在此不再赘述。
(3)热锻加工
通过热锻,可以达到两个目的:一方面,可以使高钒高钴高速钢喷射成形坯体致密化,密度接近理论密度;另一方面,由于喷射成形的雾化过程中,不可避免地出现大尺寸液滴,大液滴在沉积过程中因为冷却速度稍慢会出现共晶莱氏体。这些共晶莱氏体的存在会影响材料的性能,因此必须运用热加工的方法将其去除或粉碎。要达到这两个目的,必须严格控制热锻的温度和变形量。对于高钒高钴高速钢而言,需要控制热锻的加热温度和保温时间,如果温度太高,则会出现碳化物明显粗化和角状化,造成随后的热锻过程中容易产生裂纹。保温时间太长也会造成晶粒的长大。为达到上述两个目的,本发明所用的热锻加热温度为1100~1180℃,保温时间遵循t=d×1.0min/mm(d为锻造样品的厚度)。热锻的锻造比为≥9∶1。
此外,在高钒高钴高速钢喷射成形坯体中,由于冷却速度较快,使得喷射成形坯体显微组织以马氏体组织为主,因此材料的硬度非常高,可以达HRC59以上,其脆性也比较大。如此高的硬度,会使得材料在锻打过程中出现高的抗应变力,造成锻打过程中材料易开裂。因此为防止材料在锻打过程中出现开裂,同时有利于碳化物的分解和扩散,在锻打之前,对高钒高钴高速钢喷射成形坯体进行表面剥皮后退火处理。在锻打之后,由于锻造材料存在一定的残余应力,且空冷下因合金度高而发生马氏体相变,还存在一定量屈氏体组织,使得材料的硬度比较高,不利加工,因此在锻打后还需要对材料进行退火处理,降低硬度,消除残余应力,改善切削加工性,为淬火做好组织准备。锻打前后的退火工艺是将高速钢加热到奥氏体化温度850-880℃,保温10hr以上后缓冷(冷却速度≤30K/hr)至小于等于600℃出炉空冷。
(4)淬火回火处理
对高钒高钴高速钢来说,淬火是各个热处理环节中决定高速钢工具性能的关键性环节。经过淬火处理后,基体可以得到含量更多合金元素而强化,使热处理效果显著。回火是紧接着淬火后的一项重要热处理操作,其目的是为了消除淬火应力,得到弥散强化而较稳定的回火马氏体,以及使残留奥氏体最大限度地转变为二次马氏体,使制成的刀具得到高的硬度和耐磨性。这道工序是工件在整个热处理操作过程中(除表面热处理外)最后一项操作,它在选择回火温度及回火次数时,不仅要考虑硬度值,还必须使残留奥氏体得到充分转变。因此回火操作进行的正确与否,对于工件的使用性能具有重要意义。具体的淬火回火工艺是:①在电极盐浴炉中进行预热(预热温度850~880℃),盐浴介质为70~80%BaCl2+30~20%NaCl;②采用电极盐浴炉加热到淬火温度(1140℃~1230℃,盐浴介质是100%BaCl2);③将试样放到冷却介质50%BaCl2+30%KCl+20%NaCl中冷却到600~650℃温度,空冷;④将试样放到温度为500~580℃的介质100%NaNO3中进行回火处理,回火时间为0.5~1hr,回火次数1~4次。
(5)车削、铣削和磨削处理
通过车削、铣削或磨削处理将高钒高钴高速钢加工成刀具或工具,用于各类零件的生产和制造。
(6)TiN(或AlTiN)涂层处理
通过TiN或AlTiN涂层处理,可以使高钒高钴高速钢具有更高硬度、更具耐磨性时,提高刀具的使用寿命,保证加工表面具有良好的质量。
本发明的有益效果
本发明提出的生产高钒高钴高速钢的工艺路线,其工序比粉末冶金工序简单得多,省略了粉末冶金中粉末的筛分、混批、封装、冷等静压、热等静压等工序,因此该工序不需要昂贵的设备投资,且最终材料的性能达到甚至超过成分相近的粉末高速钢,节省了工艺成本,降低了粉末冶金高速钢的使用价格,有利于机械制造业的广泛使用。
具体实施方式
实施例1
采用真空感应炉熔炼高钒高钴高速钢母合金,其化学成分(wt%)是:C1.37,W7.35,Mo6.00,Cr4.39,V3.65,Co7.82;将合金熔液浇铸到特制的耐火材料多孔模中,获得满足尺寸设计的母合金棒料。
喷射成形,喷射成形操作过程是:按喷射成形中频感应炉容量大小和形状要求,将高钒高钴高速钢母合金棒料按合理的尺寸大小置于其坩埚内,并施加电流进行加热重熔;在高于熔点150℃左右温度下保持一段时间,使熔体的温度和成分达到均匀;然后用高压氮气向熔体喷射,使之雾化成细小液滴,飞行并沉积在收集基板上,完成凝固并形成块体。喷射过程中使用环孔紧密耦合型喷嘴雾化器,导液管直径是4.5mm,雾化氮气压力2.5MPa,喷射距离350mm,基板旋转速度为10rpm。气体/熔液流量比(G/M)约为0.40m3/kg。
热锻加工,将喷射成形坯体进行表面剥皮,然后退火以降低材料硬度。退火工艺是加热到870℃,保温10hr,以30K/hr冷却速度至600℃左右出炉空冷。然后将坯体放在加热炉炉口预热,预热温度为900℃。在炉膛加热,温度为1150℃,保温0.5小时。锻打时先用400kg空气锤进行开坯,然后用250kg空气锤进行锻打成型,终锻温度为900℃,锻造比为9∶1,将坯体锻造成尺寸合适的棒料。再将锻打得到的棒料进行退火。采用阿基米德排水法测得材料的密度为8.14g/cm3,接近于理论密度。
淬火回火处理。将锻打的棒料进行较直,去除表面氧化皮后进行淬火回火处理。其过程是:①在电极盐浴炉中进行预热(预热温度850℃),盐浴介质为80%BaCl2+20%NaCl。②采用盐浴介质为100%BaCl2的电极盐浴炉加热到1180℃淬火温度)。③将试样放到冷却介质50%BaCl2+30%KCl+20%NaCl中冷却到600℃温度,分级空冷。④将试样放到温度为550℃的介质100%NaNO3中进行回火处理,回火时间为1hr,回火次数3次。
将高钒高钴高速钢磨削加工成Φ11.5cm直柄麻花钻。加工过程中,未发现明显的难加工工序,且试制出来的直柄麻花钻全部合格。由此说明喷射成形高钒高钴高速钢的可加工性能良好。
直柄麻花钻切削性能试验:
与采用M2高速钢制成的Φ11.5cm直柄麻花钻相比,钻削同样的标块(材料为40Cr,硬度210HB,厚度30mm),高钒高钴高速钢钻削38个孔时磨损仅为0.3mm,M2高速钢钻削16孔时的磨损则达到了0.782mm。因此高钒高钴高速钢的性能远远优越于普通的M2高速钢。
实施例2
将实施例1中的直柄麻花钻进行AlTiN涂层处理。钻削材料为40Cr,硬度210HB,厚度30mm的标块。其结果如表1所示。在钻削过程中,AlTiN涂层的高钒高钴高速钢直柄麻花钻经历了不同主轴转速状况下的切削。切削至失效时钻头的总行程达到了5.19米,远远超过一般的优质钻头。因此,其切削性能非常优越。
表1、AlTiN涂层处理高钒高钴高速钢直柄麻花钻切削试验结果
实施例3
1.采用真空感应炉熔炼高钒高钴高速钢母合金,其化学成分(wt%)是:C1.33,W7.15,Mo5.45,Cr4.40,V3.10,Co8.40,将合金熔液浇铸到特制的耐火材料多孔模中,获得满足尺寸设计的母合金棒料。
2.喷射成形。喷射成形操作过程是:按喷射成形中频感应炉容量大小和形状要求,将高钒高钴高速钢母合金棒料按合理的尺寸大小置于其坩埚内,并施加电流进行加热重熔。在高于熔点140℃左右温度下保持一段时间,使熔体的温度和成分达到均匀。然后用高压氮气向熔体喷射,使之雾化成细小液滴,飞行并沉积在收集基板上,完成凝固并形成块体。喷射过程中使用环孔紧密耦合型喷嘴雾化器,导液管直径是4.4mm,雾化氮气压力2.4MPa,喷射距离355mm,基板旋转速度为10rpm。气体/熔液流量比(G/M)约为0.41m3/kg。
3.热锻加工。将喷射成形坯体进行表面剥皮,然后退火以降低材料硬度。退火工艺是加热到870℃,保温10hr,以30K/hr冷却速度至600℃左右出炉空冷。然后将坯体放在加热炉炉口预热,预热温度为900℃。在炉膛加热,温度为1150℃,保温0.5小时。锻打时先用400kg空气锤进行开坯,然后用250kg空气锤进行锻打成型,终锻温度为900℃,锻造比为9∶1,将坯体锻造成尺寸合适的棒料。再将锻打得到的棒料进行退火。采用阿基米德排水法测得材料的密度为8.14g/cm3,接近于理论密度。
4.淬火回火处理。将锻打的棒料进行较直,去除表面氧化皮后进行淬火回火处理。其过程是:①在电极盐浴炉中进行预热(预热温度850℃),盐浴介质为80%BaCl2+20%NaCl。②采用盐浴介质为100%BaCl2的电极盐浴炉加热到1180℃淬火温度)。③将试样放到冷却介质50%BaCl2+30%KCl+20%NaCl中冷却到600℃温度,分级空冷。④将试样放到温度为550℃的介质100%NaNO3中进行回火处理,回火时间为1hr,回火次数3次。
5.将高钒高钴高速钢磨削加工成M14×1.5的机用丝锥。加工过程中,未发现明显的难加工工序,且试制出来的机用丝锥全部合格。由此说明喷射成形高钒高钴高速钢的可加工性能良好。
6.机用丝锥的切削性能试验:
采用的对比试验材料是进口粉末高速钢DEX40,其化学成分是(wt%):C 1.43,W6.77,Mo5.51,Cr4.22,V3.09,Co8.50。在切削试验过程中,采用同样的切削参数(转速为125r/min)对同样的标块(材料为40Cr,硬度210HB,厚度23mm)进行通孔攻丝。两次试验结果如表2所示。本发明的高钒高钴高速钢制作的丝锥性能优于粉末冶金高速钢DEX40制作的丝锥。
表2、丝锥切削试验结果比较
Claims (3)
1.一种高钒高钴高速钢的制造方法,包括如下步骤:
1)制备母合金,其化学成分质量百分比为:C 1.1~2.18,W 5.0~8.0,Mo 4.0~6.0,Cr 3.0~5.0,V 1.2~8.3,Co 6.5~11.5,其余为Fe和不可避免杂质;
2)采用喷射成形工艺,将高钒高钴高速钢母合金棒料置于其坩埚内,并施加电流进行加热重熔,在高于熔点100~250℃温度下保持一段时间,使熔体的温度和成分达到均匀;通过喷嘴雾化器,形成分散、细小液滴,并沉积在收集基板上,冷却凝固成块体,获得高钒高钴高速钢坯体;
3)热锻前,将喷射成形得到的高速钢坯体表面剥皮,退火,将高速钢坯体加热到奥氏体化温度850~880℃,保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷,冷却速度≤30K/hr;
4)热锻,加热温度在1100~1180℃;加热保温时间t=d×(1.0~2.0)min/mm,d为锻造样品的厚度;热锻的锻造比为≥9∶1;
5)锻打后再进行退火,将锻打后高速钢样品加热到奥氏体化温度850~880℃,保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷,冷却速度≤30K/hr;
6)淬火处理,在电极盐浴炉中进行预热,预热温度850~880℃,盐浴介质为70~80%BaCl2+30~20%NaCl;采用电极盐浴炉加热到淬火温度1140℃~1230℃,盐浴介质是100%BaCl2;将试样冷却到600~650℃温度,空冷;
7)回火处理,将试样放到温度为500~580℃的介质50%~100%NaNO3+50%~0%KNO3中进行回火处理,回火时间为0.5~1hr,回火次数1~4次。
2.如权利要求1所述的高钒高钴高速钢的制造方法,其特征是,还进一步进行TiN或AlTiN涂层处理。
3.如权利要求1所述的高钒高钴高速钢的制造方法,其特征是,步骤6)将试样冷却到600~650℃温度采用的冷却介质为50%BaCl2+30%KCl+20%NaCl。
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