CN102909385A - 一种粉末冶金工模具钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种粉末冶金工模具钢的制备方法，本发明综合了真空感应熔炼、惰性气体雾化制粉和粉末冶金技术的优点，利用气体雾化制粉设备熔炼工模具钢，通过优化设计的负压制粉工艺，制备出空心粉少、非金属夹杂物数量少、尺寸小的高质量工模具钢粉末，通过进一步热动态除气、包套和热等静压制备出高质量的粉末冶金工模具钢锭。

Description

一种粉末冶金工模具钢的制备方法

技术领域

本发明是一种粉末冶金工模具钢的制备方法，属于粉末冶金工模具钢制备技术领域。

背景技术

我国的汽车、航空、航天及装备制造等产业正处于高速发展阶段，正逐步由制造大国向制造强国转变。先进航空、航天、汽车产品要求零部件具有更优异性能、更低成本更高环保性，而加工工艺要求具有更快加工速度、更高可靠性、高重复精度可再现性。我国现有的工模具材料以熔锻工艺为主，由于受熔炼工艺的限制，合金化程度低、碳化物粗大、偏析严重、分布不均匀，耐磨、冲击和切削等性能水平偏低，尽管其存在成本低廉的优势，但难以满足高速高效加工及难加工材料的要求，只适用于中低端产品。粉末冶金工模具钢无碳化物偏析且碳化物细小，抗弯强度是传统工模具钢的2倍以上，耐磨性和高温硬度均大幅度提高，广泛用于大模数重载切削滚刀等关键刀具、模具和关键部件。

我国是世界上工模具钢生产大国，但包括粉末冶金工模具钢在内的高性能工模具钢生产工艺技术与国际先进水平存在明显差距。粉末冶金工模具钢是目前国外生产高性能、大尺寸复杂工模具的主体选材，其主要技术就是粉末冶金工艺。我国粉末冶金工模具钢一直未能得到突破，主要是在工艺上存在障碍，主要是通过现有工艺制备的工模具钢气体含量偏高，非金属夹杂物数量偏多，尺寸偏大，性能不稳定。

从国外的发展情况来看，随着加工制造业向中国的转移，以及国内自身在加工装备技术方面的发展，粉末冶金工模具钢的应用市场也会加速向中国集中和发展，行业预测的年需求增长率将在15～30％之间。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术状况设计提供了一种粉末冶金工模具钢的制备方法，其目的是解决上述粉末冶金工模具钢制备工艺中存在的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种粉末冶金工模具钢的制备方法，其特征在于：

（1）将工模具钢母合金或按化学成分配比称取金属元素料，装入气体雾化制粉炉的真空感应熔炼坩埚中；

（2）对气体雾化制粉炉的熔炼室和雾化室抽真空，真空度＜20Pa；

（3）送电加热母合金或金属元素料至完全熔化，继续加热至1500℃~1600℃后精炼10~20分钟；

（4）精炼完成后，对气体雾化制粉炉充高纯氩气；氩气纯度＞99.999%wt，O₂＜2ppm，压力为0.25~0.35Mpa，充气后气体雾化制粉炉的雾化室内压力为0.04～0.08Mpa；

（5）气体雾化制粉炉充气完成后，保持合金液温度在1500℃~1600℃，将感应熔炼坩埚内的合金液缓慢倾倒进中间包***，当合金液流出导流管下端后1~2s后，开启高压氮气喷嘴的阀门及排气***阀门，用高纯氮气对合金液进行雾化，氮气纯度＞99.999%wt，O2＜2ppm，雾化压力为4.0~6.0Mpa；

在雾化过程中通过调节排气***，始终保持气体雾化制粉炉的雾化室内的压力为0.04~0.08Mpa；

（6）合金液雾化完毕后，立即启动真空***，把气体雾化制粉炉的熔炼室和雾化室抽真空＜20Pa；

（7）把制得的工模具钢粉末储存在充满氩气气氛的粉罐内；

（8）对粉罐内的工模具钢粉末进行筛分，得到＜100目的工模具钢粉末，在粉末除气炉内对工模具钢粉末进行热动态除气，粉末加热温度200℃~600℃，粉末除气炉的真空度＜5×10-2Pa，除气后直接装入预先连接在粉末除气炉上的包套内，装满后进行封焊；

（9）将封焊好的包套送入热等静压机内进行热等静压，热等静压温度1050℃~1200℃，压力＞100Mpa，时间＞2h，随炉冷却。

本发明技术方案针对粉末冶金工模具钢材料的特点，采用负压雾化工艺，结合对比试验，在真空熔炼的过程中加10~20分钟的精炼，该措施能够有效降低合金中的氧含量，同时真空度在小于20pa时，氧含量变化趋势不明显。采用氩气保护熔炼和氮气雾化相结合的方式，有利于减少非金属夹杂物的产生，控制合金中的气体含量，提高合金的综合性能。

本发明技术方案的优点是：

（一）负压雾化防止钢液在雾化过程中因温度降低造成的导液管堵塞，保证了钢液能够顺畅流到喷嘴处进行雾化；

（二）减少了空心粉末。在负压作用下，雾化气体与钢液的交互作用更强烈，提高钢液的破碎程度，进一步降低了粉末粒度。由于粉末粒度越小，比表面积越大，加上金属液表面张力的作用，在负压环境中，气体很难裹入到金属熔滴内，因此减少了空心粉产生；

（三）减小非金属夹杂物尺寸；由于细粉的中值粒径进一步降低，因此，非金属夹杂物的尺寸也进一步减小；

（四）热动态除气包套一体化。在粉末筛分及包套过程中，工模具钢粉末会产生部分气体的物理吸附，造成一些气体如O2、H₂O、Ar等的吸附，影响最终的合金锭坯质量，采用热动态除气包套一体化，减少制备工艺流程，有效减少这一类型的气体吸附，提高合金锭坯质量并降低成本。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例

采用本发明技术方案制备粉末冶金工模具钢的步骤是：

（1）粉末冶金工模具钢的成分和重量百分比为；C：2.30%，Cr：4.00%，Co：10.60%，Mo：7.00%，V：6.60%，W：6.50%，余量为Fe；

（2）装料：将按上述化学成分及配比制备的母合金或按化学成分配比称取金属元素料，装入气体雾化制粉炉的真空感应熔炼坩埚；

真空感应熔炼坩埚采用镁铝尖晶石等静压制备的坩埚；

（3）熔炼室和雾化室抽真空；采用机械泵和罗茨泵二级泵***对气体雾化制粉炉的熔炼室和雾化室抽真空，真空度＜20Pa；

（4）送电加热熔炼合金料：在真空环境中，送电加热母合金或金属元素料至完全熔化，继续加热至1500℃~1600℃后精炼10~20分钟，使熔化的母合金或金属元素料充分脱氧且成分更加均匀化；

（5）充气：精炼完成后，对气体雾化制粉炉充高纯氩气；氩气纯度＞99.999%wt，O₂＜2ppm，压力为0.25~0.35Mpa，充气后气体雾化制粉炉的雾化室内压力为0.04～0.08Mpa；

（6）负压雾化：气体雾化制粉炉充气完成后，保持合金液温度在1500℃~1600℃，将感应熔炼坩埚内的合金液缓慢倾倒进中间包***，当观察到合金液流出导流管下端后1~2s后，开启高压氮气喷嘴的阀门及排气***阀门，用高纯氮气对合金液进行雾化，氮气纯度＞99.999%wt，O2＜2ppm，雾化压力为4.0~6.0Mpa；

在雾化过程中通过调节排气***，始终保持气体雾化制粉炉的雾化室内的压力为0.04~0.08Mpa；

（7）合金液雾化完毕后，立即启动真空***，把气体雾化制粉炉的熔炼室和雾化室抽真空＜20Pa；

把工模具钢粉末储存在充满氩气气氛的粉罐内；

（8）对粉罐内的工模具钢粉末进行筛分，得到＜100目的工模具钢粉末，在粉末除气炉内对工模具钢粉末进行热动态除气，粉末加热温度200℃~600℃，粉末除气炉的真空度＜5×10^-2Pa，除气后直接装入预先连接在粉末除气炉上的包套内，装满后进行封焊；

（9）将封焊好的包套送入热等静压机内进行热等静压，热等静压温度1050℃~1200℃，压力＞100Mpa，时间＞2h，随炉冷却。

与现有技术相比，本发明技术方案综合了真空感应熔炼、惰性气体雾化制粉和粉末冶金技术的优点，利用气体雾化制粉设备熔炼工模具钢，通过优化设计的负压制粉工艺，制备出空心粉少、非金属夹杂物数量少、尺寸小的高质量工模具钢粉末，通过进一步热动态除气、包套和热等静压制备出高质量的粉末冶金工模具钢锭。

Claims (1)

1.一种粉末冶金工模具钢的制备方法，其特征在于：

（1）将工模具钢母合金或按化学成分配比称取金属元素料，装入气体雾化制粉炉的真空感应熔炼坩埚中；

（2）对气体雾化制粉炉的熔炼室和雾化室抽真空，真空度＜20Pa；

（3）送电加热母合金或金属元素料至完全熔化，继续加热至1500℃~1600℃后精炼10~20分钟；

（4）精炼完成后，对气体雾化制粉炉充高纯氩气；氩气纯度＞99.999%wt，O₂＜2ppm，压力为0.25~0.35Mpa，充气后气体雾化制粉炉的雾化室内压力为0.04～0.08Mpa；

（5）气体雾化制粉炉充气完成后，保持合金液温度在1500℃~1600℃，将感应熔炼坩埚内的合金液缓慢倾倒进中间包***，当合金液流出导流管下端后1~2s后，开启高压氮气喷嘴的阀门及排气***阀门，用高纯氮气对合金液进行雾化，氮气纯度＞99.999%wt，O2＜2ppm，雾化压力为4.0~6.0Mpa；

在雾化过程中通过调节排气***，始终保持气体雾化制粉炉的雾化室内的压力为0.04~0.08Mpa；

（6）合金液雾化完毕后，立即启动真空***，把气体雾化制粉炉的熔炼室和雾化室抽真空＜20Pa；

（7）把制得的工模具钢粉末储存在充满氩气气氛的粉罐内；

（8）对粉罐内的工模具钢粉末进行筛分，得到＜100目的工模具钢粉末，在粉末除气炉内对工模具钢粉末进行热动态除气，粉末加热温度200℃~600℃，粉末除气炉的真空度＜5×10^-2Pa，除气后直接装入预先连接在粉末除气炉上的包套内，装满后进行封焊；

（9）将封焊好的包套送入热等静压机内进行热等静压，热等静压温度1050℃~1200℃，压力＞100Mpa，时间＞2h，随炉冷却。