CN110257688B - 一种含硼化物粉末高速钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含硼化物粉末高速钢及其制备方法，所述复合材料相对密度＞99％，硬度为65.5～69.4HRC；复合材料的基体为M2粉末高速钢，其成分质量百分比为C0.80～0.90％，Si0.30～0.40％，Mn0.25～0.32％，W5.00～5.50％，Mo4.90～5.10％，Cr3.80～4.20％，V1.80～2.20％，余量Fe及不可避免的杂质；硼化物粉末作为外加质点均匀弥散分布于基体中，硼化物粉末的添加量质量分数为0.2％～0.5％。制备过程中，在雾化制粉中，雾化介质为高压气体和硼化物粉末的混合物，在气粉共同雾化下制得硼化物粉末均匀分散的高速钢粉末。本发明的粉末冶金高速钢制备方法可以通过调节雾化介质中硼化物组成、粒度和喷入量等实现对粉末高速钢硬度、抗弯强度的调整，达到优异的综合力学性能。

Description

一种含硼化物粉末高速钢及其制备方法
技术领域
本发明属于高速钢制造技术领域，特别提供一种快速、高效和低成本制备高性能粉末高速钢的方法。
背景技术
高速钢是一种高碳、高合金莱氏体钢，是常用的工模具材料，被广泛应用于加工制造行业。传统铸锻高速钢碳化物粗大、组织偏析严重，为改善组织均匀性，锻打改性工序多、工艺复杂。为解决铸锻高速钢所面临的难题，诞生了粉末高速钢。粉末高速钢的工艺包括粉末包套热等静压和粉末压制烧结。粉末包套热等静压高速钢性能优异，是高性能高速钢生产的终极手段，但是钢包套的制作-封焊-后期处理，工序多，周期较长，增加了成本，另外，钢材成形变形困难，不利于形状复杂的异形件生产。对于粉末压制烧结，工艺简单，成本低，但存在压制后坯体致密性不高的缺点，在烧结过程中往往选择较高的烧结温度，而高速钢的烧结窗口较窄，若温度达到合金熔点则会产生液相，一旦液相量较大则很难保证制品原有形状，破坏制品成形性。另外，过高的烧结温度往往导致生成的碳化物粗大，从而导致制品组织不均匀，使得制品性能变差。
为了解决压制烧结工艺存在的问题，现有粉末冶金技术是向高速钢粉末中添加硼单质或硼的化合物来降低烧结温度，尤其是硼的化合物效果更好，经压制烧结制备出综合性能优良的粉末高速钢，例如文献“B4C对M3:2粉末冶金高速钢组织与力学性能的影响”和文献“淬火温度对添加B4C的ASP30粉末冶金高速钢组织及力学性能的影响”。硼单质或化合物是我国的富有元素，价格便宜，而且粉末高速钢中硼元素与Co元素共同存在时局部会出现高硼低钴成分，其共晶点很低，从而烧结过程中可以形成微量液相，是一种烧结活化剂，可以促进粉末冶金高速钢的烧结过程，能够在更低的温度下烧结出更为致密的粉末冶金产品。但现有技术中都是采用球磨工艺实现硼的化合物和金属粉末混粉，增加了制备工序，增加了生产成本，而且球磨工艺带来制备周期长、引入外来杂质、表面氧化和混粉不均匀等问题。
发明内容
本发明主要针对现有技术存在的上述问题，采用雾化制备含硼化物的高速钢粉末结合压制烧结的方法获得完全致密的粉末高速钢，提供了一种快速、高效、低成本制备高性能粉末高速钢的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种含硼化物粉末高速钢，所述复合材料相对密度＞99％，硬度为65.5～69.4HRC；复合材料的基体为M2粉末高速钢，其成分质量百分比为C0.80～0.90％，Si0.30～0.40％，Mn0.25～0.32％，W5.00～5.50％，Mo4.90～5.10％，Cr3.80～4.20％，V1.80～2.20％，余量Fe及不可避免的杂质；硼化物粉末作为外加质点均匀弥散分布于基体中，硼化物粉末的添加量质量分数为0.2％～0.5％。
一种含硼化物粉末高速钢制备方法，具体包括：
(1)真空熔炼
将废钢和铬铁在真空感应炉中熔化，钢水成分质量百分比为C0.80～0.90％，Si0.30～0.40％，Mn0.25～0.32％，W5.00～5.50％，Mo4.90～5.10％，Cr3.80～4.20％，V1.80～2.20％，余量为Fe及不可避免的杂质，钢水终点温度为1600℃～1670℃；
(2)含硼化物高速钢粉末制备
在雾化制粉中，雾化介质为高压气体和硼化物粉末的混合物，在气粉共同雾化下制得硼化物粉末均匀分散的高速钢粉末；高压气体是N2或Ar，其压力为2～4MPa；硼化物粉末是B4C、Fe2B、BN、LaB6、NiB和CrB中的一种或几种混合物；硼化物粉末粒度为D50≤2μm，其中硼化物颗粒小于200nm粉末的体积百分数为10％～20％；
(3)成型
采用冷等静压成型将上述含硼化物高速钢粉末压坯，冷等静压压力为300～400MPa，保压时间为10～20min；
(4)烧结
含硼化物高速钢粉末压坯在真空条件下烧结，真空度小于2Pa，烧结温度为1100℃～1150℃，并保温30～60min，冷却后获得高速钢坯体；
(5)热处理
采用850℃～880℃退火，炉冷3～4h作为预备处理，淬火温度1050℃～1150℃，5～15min油冷，回火温度550℃～560℃，回火3次，每次空冷1～1.5h。
所述的步骤(2)中M2钢液的雾化温度为1600℃～1640℃；
所述的步骤(2)雾化介质中硼化物颗粒的流量为1.5～4.5kg/min。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1)雾化制备含硼预合金粉末、冷等静压和真空烧结相结合的工艺制备完全致密度的粉末高速钢，整体制备工艺过程比现有的含硼粉末高速钢制备工艺简单。省去了球磨合金化和热等静压，且采用本发明的工艺过程制备的粉末高速钢杂质含量低、工艺简单，实用性好，因此，具有很好应用前景。
2)含硼预合金粉末在烧结中，硼元素与某些元素(如Co)共同存在时局部会出现高硼低钴成分，其共晶点很低，从而烧结过程中可以形成微量液相，是一种烧结活化剂，可以促进粉末冶金高速钢的烧结过程，能够在更低的温度下烧结出更为致密的粉末高速钢。
3)微细的硼化物颗粒最终以弥散相质点的方式存在于粉末冶金高速钢中，在提高粉末冶金高速钢硬度的同时，细小的硼化物在相变时细化碳化物，又对位错起钉扎作用，增大了位错运动的阻碍，起到了弥散强化的作用，可提高粉末高速钢的强度和韧性。
4)本发明的粉末冶金高速钢制备方法可以通过调节雾化介质中硼化物组成、粒度和喷入量等实现对粉末高速钢硬度、抗弯强度的调整，达到优异的综合力学性能。与传统添加硼化物或碳化物粉末冶金高速钢制备工艺相比，本发明对粉末冶金高速钢的硼化物的组成与含量调节极为方便，有利于机械制造业的广泛应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明：
以下实施例对本发明进行详细描述。这些实施例仅是对本发明的最佳实施方案进行描述，并不对本发明的范围进行限制。
实施例1
一种含硼化物粉末高速钢制备方法，具体包括：
1)真空熔炼：真空感应炉熔炼M2高速钢，终点温度控制为1640℃，钢水的雾化温度1600℃；钢水组分及其质量百分数：C0.85％，Si0.35％，Mn0.28％，W5.12％，Mo5.03％，Cr3.85％，V1.99％，余量Fe，含有不可避免的杂质元素；
2)含硼化物高速钢粉末制备
气粉雾化制备B4C均匀分散M2高速钢粉末，雾化高压气体是N2，压力为3MPa；雾化粉末是B4C粉末，B4C粒度为D50≤2μm，其中B4C小于200nm粉末的体积百分数为12％。B4C粉末颗粒的流量为2.0kg/min。制备出含0.25％(质量分数)B4C粉末的复合粉末。
3)在350MPa压力下进行冷等静压成型制备预成型坯。
4)在1130℃真空烧结获得＞99％致密度的粉末高速钢。
5)热处理850℃退火，炉冷3h作为预备处理，淬火温度1050℃～1150℃，5～15min油冷，回火温度550℃～560℃，回火3次，每次空冷1h，获得含0.25％(质量分数)B4C粉末M2粉末高速钢，其化学成分为：C1.25％，Si0.36％，Mn0.27％，W5.11％，Mo5.05％，Cr3.88％，V1.97％，B0.05％，余量Fe，其硬度达到69.4HRC，抗弯强度为4450MPa，冲击韧性为24J·cm-2。
实施例2
一种含硼化物粉末高速钢制备方法，具体包括：
1)真空熔炼：50kg真空感应炉熔炼M2高速钢，终点温度控制为1640℃，钢水的雾化温度1610℃；钢水组分及其质量百分数：C0.85％，Si0.35％，Mn0.28％，W5.12％，Mo5.03％，Cr3.85％，V1.99％，余量Fe，含有不可避免的杂质元素；
2)含硼化物高速钢粉末制备
气粉雾化制备BN均匀分散M2高速钢粉末，雾化高压气体是N2，压力为3Mpa；固态雾化介质是BN粉末，BN粒度为D50≤2μm，其中BN小于200nm粉末的体积百分数为10％。BN粉末颗粒的流量为2.9kg/min。制备出含0.3％(质量分数)BN粉末的复合粉末。
3)在350MPa压力下进行冷等静压成型制备预成型坯。
4)在1150℃真空烧结获得＞99％致密度的粉末高速钢。
5)热处理850℃退火，炉冷3h作为预备处理，淬火温度1050℃～1150℃，5～15min油冷，回火温度550℃～560℃，回火3次，每次空冷1h，获得含0.3％(质量分数)BN粉末M2粉末高速钢。其化学成分为：C0.87％，Si0.37％，Mn0.29％，W5.13％，Mo5.06％，Cr3.88％，V2.01％，B0.024％，N0.17％，余量Fe，其硬度达到67.6HRC，抗弯强度为4460MPa，冲击韧性为25J·cm-2。
实施例3
一种含硼化物粉末高速钢制备方法，具体包括：
1)真空熔炼：50kg真空感应炉熔炼M2高速钢，终点温度控制为1640℃，钢水的雾化温度1615℃；钢水组分及其质量百分数：C0.85％，Si0.35％，Mn0.28％，W5.12％，Mo5.03％，Cr3.85％，V1.99％，余量Fe，含有不可避免的杂质元素；
2)含硼化物高速钢粉末制备
气粉雾化制备Fe2B均匀分散M2高速钢粉末，雾化高压气体是N2，压力为3Mpa；固态雾化介质是Fe2B粉末，Fe2B粒度为D50≤2μm，其中Fe2B小于200nm粉末的体积百分数为20％。Fe2B粉末颗粒的流量为4.8kg/min。制备出含0.5％(质量分数)Fe2B粉末的复合粉末。
3)在350MPa压力下进行冷等静压成型制备预成型坯。
4)在1145℃真空烧结获得＞99％致密度的粉末高速钢。
5)热处理850℃退火，炉冷3h作为预备处理，淬火温度1050℃～1150℃，5～15min油冷，回火温度550℃～560℃，回火3次，每次空冷1h，获得含0.5％(质量分数)Fe2B粉末M2粉末高速钢。其化学成分为：C0.88％，Si0.38％，Mn0.28％，W5.15％，Mo5.08％，Cr3.89％，V2.05％，B0.045％，余量Fe，其硬度达到65HRC，抗拉强度为4440MPa，冲击韧性为22J·cm-2。
实施例4
一种含硼化物粉末高速钢制备方法，具体包括：
1)真空熔炼：50kg真空感应炉熔炼M2高速钢，终点温度控制为1640℃，钢水的雾化温度1620℃；钢水组分及其质量百分数：C0.85％，Si0.35％，Mn0.28％，W5.12％，Mo5.03％，Cr3.85％，V1.99％，余量Fe，含有不可避免的杂质元素；
2)含硼化物高速钢粉末制备
气粉雾化，雾化高压气体是N2，压力为3Mpa；雾化粉末是LaB6，气粉雾化制备LaB6均匀分散M2高速钢粉末，LaB6的粒度为D50≤2μm，其中LaB6小于200nm粉末的体积百分数为18％。LaB6粉末颗粒的流量为4.2kg/min。制备出含0.45％(质量分数)LaB6粉末的复合粉末。
3)在350MPa压力下进行冷等静压成型制备预成型坯。
4)在1130℃真空烧结获得＞99％致密度的粉末高速钢。
5)热处理850℃退火，炉冷3h作为预备处理，淬火温度1050℃～1150℃，5～15min油冷，回火温度550℃～560℃，回火3次，每次空冷1h，获得含0.45％(质量分数)LaB6粉末M2粉末高速钢。其化学成分为：C0.86％，Si0.37％，Mn0.26％，W5.12％，Mo5.05％，Cr3.87％，V2.07％，B0.014％，余量Fe，其硬度达到65.5HRC，抗弯强度为4475MPa，冲击韧性为24.8J·cm-2。
实施例5
一种含硼化物粉末高速钢制备方法，具体包括：
1)真空熔炼：50kg真空感应炉熔炼M2高速钢，终点温度控制为1640℃，钢水的雾化温度1610℃；钢水组分及其质量百分数：C0.85％，Si0.35％，Mn0.28％，W5.12％，Mo5.03％，Cr3.85％，V1.99％，余量Fe，含有不可避免的杂质元素；
2)含硼化物高速钢粉末制备
气粉雾化，雾化高压气体是N2，压力为3Mpa；固态雾化介质是NiB和CrB(体积比1:1)粉末，气粉雾化制备NiB和CrB均匀分散M2高速钢粉末，NiB和CrB粒度为D50≤2μm，其中NiB和CrB中小于200nm粉末的体积百分数为20％。NiB和CrB粉末颗粒的流量为1.8kg/min。制备出含0.2％(质量分数)NiB和CrB粉末的复合粉末。
3)在350MPa压力下进行冷等静压成型制备预成型坯。
4)在1100℃真空烧结获得＞99％致密度的粉末高速钢。
5)热处理850℃退火，炉冷3h作为预备处理，淬火温度1050℃～1150℃，5～15min油冷，回火温度550℃～560℃，回火3次，每次空冷1h，获得含0.2％(质量分数)NiB和CrB粉末M2粉末高速钢。其化学成分为：C0.85％，Si0.35％，Mn0.25％，W5.14％，Mo5.07％，Cr3.88％，V2.08％，B0.018％，余量Fe其硬度达到66.5HRC，抗弯强度为4485MPa，冲击韧性为24.5J·cm-2。
对比例
1)真空熔炼：50kg真空感应炉熔炼M2高速钢，终点温度控制为1640℃，钢水的雾化温度1600℃；钢水组分及其质量百分数：C0.85％，Si0.35％，Mn0.28％，W5.12％，Mo5.03％，Cr3.85％，V1.99％，余量Fe，含有不可避免的杂质元素。
2)制备M2高速钢粉末。雾化高压气体是N2，压力为3Mpa。
3)在350MPa压力下进行冷等静压成型制备预成型坯。
4)在1260℃真空烧结获得＞99％致密度的粉末高速钢。
5)热处理850℃退火，炉冷3h作为预备处理，淬火温度1050℃～1150℃，5～15min油冷，回火温度550℃～560℃，回火3次，每次空冷1h，获得不含硼化物粉末M2粉末高速钢。其成分为：C0.86％，Si0.34％，Mn0.27％，W5.13％，Mo5.04％，Cr3.84％，V1.98％，余量Fe，其硬度达到62HRC，抗弯强度为4400MPa，冲击韧性为22J·cm-2。

Claims (3)

1.一种含硼化物粉末高速钢，其特征在于，复合材料相对密度＞99%，硬度为65.5～69.4HRC；复合材料的基体为M2粉末高速钢，其成分质量百分比为C0.80～0.90%，Si0.30～0.40%，Mn0.25～0.32%，W5.00～5.50%，Mo4.90～5.10%，Cr3.80～4.20%，V1.80～2.20%，余量Fe及不可避免的杂质；硼化物粉末作为外加质点均匀弥散分布于基体中，硼化物粉末的添加量质量分数为0.2%～0.5%,硼化物粉末粒度为D50≤2μm；制备方法，具体包括：
（1）真空熔炼
将废钢和铬铁在真空感应炉中熔化，钢水成分质量百分比为C0.80～0.90%，Si0.30～0.40%，Mn0.25～0.32%，W5.00～5.50%，Mo4.90～5.10%，Cr3.80～4.20%，V1.80～2.20%，余量为Fe及不可避免的杂质，钢水终点温度为1600℃～1670℃；
（2）含硼化物高速钢粉末制备
在雾化制粉中，雾化介质为高压气体和硼化物粉末的混合物，在气粉共同雾化下制得硼化物粉末均匀分散的高速钢粉末；高压气体是N2或Ar，其压力为2～4MPa；硼化物粉末是B4C、Fe2B、BN、LaB6、NiB 和CrB中的一种或几种混合物；硼化物粉末粒度为D50≤2μm，其中硼化物颗粒小于200nm粉末的体积百分数为10%～20%；
（3）成型
采用冷等静压成型将上述含硼化物高速钢粉末压坯，冷等静压压力为300～400MPa，保压时间为10～20min；
（4）烧结
含硼化物高速钢粉末压坯在真空条件下烧结，真空度小于2Pa，烧结温度为1100℃～1150℃，并保温30～60min，冷却后获得高速钢坯体；
（5）热处理
采用850℃～880℃退火，炉冷3～4h作为预备处理，淬火温度1050℃～1150℃，5～15min油冷，回火温度550℃～560℃，回火3次，每次空冷1～1.5h。
2.根据权利要求1所述的含硼化物粉末高速钢，其特征在于，所述的步骤（2）中M2钢液的雾化温度为1600℃～1640℃。
3.根据权利要求1所述的含硼化物粉末高速钢，其特征在于，所述的步骤（2）雾化介质中硼化物颗粒的流量为1.5～4.5kg/min。
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