CN111136276A - 一种高速钢刀具的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速钢刀具的制备方法，包括：将合金粉末进行放电等离子体烧结，得到烧结体；将所述烧结体进行气氛预热、机油淬火、空冷、一次回火、深冷处理、二次回火和三次回火，得到高速钢刀具。与现有技术相比，本发明对放电等离子体烧结粉末高速钢刀具采用气氛预热、机油淬火和深冷处理的新工艺，使放电等离子体烧结粉末高速钢刀具的硬度、耐磨性、综合力学性能及使用寿命得到显著改善。

Description

一种高速钢刀具的制备方法
技术领域
本发明涉及高速钢刀具技术领域，尤其涉及一种高速钢刀具的制备方法。
背景技术
伴随着机械行业和新材料行业的发展，高性能钢材料等新材料的不断出现使得高硬度和高耐磨性的高速钢成为机械加工行业提升生产效率的新发展需求。德国工业和中国制造均对柔性制造进行提及，柔性制造和生产对于小批量和多品种生产提出了更高的要求，柔性制造不仅具备精益生产和并行工程特性，更是增加了敏捷制造和智能制造的新内容。因此，实现快速小批量、多品种高性能粉末高速钢的生产和制备成为未来新材料行业发展的重中之重。
目前，相比于熔铸等传统方法生产高速钢，高性能高速钢多采用粉末冶金方法生产，如热等静压工艺、喷射成型工艺、放电等离子体烧结工艺。常见高速钢工业热处理生产流程为：热等静压、锻造、退火、机加工、去应力、淬火、一次回火、二次回火、三次回火。提升高速钢硬度并改善高速钢耐磨性，进而增加刀具平均使用寿命一直是本领域技术人员关注的焦点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高速钢刀具的制备方法，本发明提供的方法制备得到的高速钢刀具具有较好的性能，使用寿命长。
本发明提供了一种高速钢刀具的制备方法，包括：
将合金粉末进行放电等离子体烧结，得到烧结体；
将所述烧结体进行气氛预热、机油淬火、空冷、一次回火、深冷处理、二次回火和三次回火，得到高速钢刀具。
在本发明中，可以将所述烧结体依次进行气氛预热、机油淬火、空冷、一次回火、深冷处理、二次回火和三次回火，得到高速钢刀具；也可以将所述烧结体依次进行气氛预热、机油淬火、空冷、一次回火、二次回火、深冷处理和三次回火，得到高速钢刀具；还可以将所述烧结体依次进行气氛预热、机油淬火、空冷、一次回火、二次回火、三次回火和深冷处理，得到高速钢刀具；优选将所述烧结体依次进行气氛预热、机油淬火、空冷、一次回火、二次回火、深冷处理和三次回火，得到高速钢刀具。
本发明实施例提供的高速钢刀具的制备方法的工艺流程如图1所示，图1中带有深冷处理的工艺流程2、工艺流程3和工艺流程4即为本发明中高速钢刀具的制备方法流程图，本发明中的深冷处理可以在一次回火之后进行，也可以在二次回火之后进行，还可以在三次回火之后进行；优选按照工艺流程3进行高速钢刀具的制备，即二次回火后进行深冷处理，采用这种方法高淬火温度会产生较多残余奥氏体，两次回火后，部分残余奥氏体转变为马氏体，相较于其他工艺，一方面，此时深冷处理后马氏体中析出细小碳化物进而提升耐磨性，另一方面，提供过冷度并促进未能转变的残余奥氏体继续转变为马氏体，其综合性能达到最佳。
本发明对所述合金粉末的成分没有特殊的限制，本领域技术人员可根据实际需要制备的钢种成分采用合适成分的合金粉末，优选将所述合金粉末进行粗筛，去除150微米以上的粉体，使合金粉末的平均粒度优选为20～50微米，更优选为30～40微米，最优选为35微米。
本发明对所述放电等离子体烧结的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的放电等离子烧结的方法即可，其原理如图2所示。在本发明中，所述放电等离子体烧结的温度优选为1030～1090℃，更优选为1040～1080℃，最优选为1050～1060℃；烧结的压力优选为45～55MPa，更优选为48～52MPa，最优选为50MPa；保温时间优选为3～7分钟，更优选为4～6分钟，最优选为5分钟。
在本发明中，所述气氛预热的气氛优选为氩气气氛，更优选在氩气气氛的马弗炉中进行热处理；所述气氛预热的方法优选为：
将所述烧结体升温至680～720℃保温8～10分钟进行一次升温，再升温至880～920℃保温8～10分钟进行二次升温，最后升温至1180～1230℃保温25～35分钟进行三次升温。
在本发明中，所述一次升温的温度优选为690～710℃，更优选为700℃，保温时间优选为9～11分钟，更优选为10分钟；二次升温的温度优选为890～910℃，更优选为900℃，保温时间优选为9～11分钟，更优选为10分钟；三次升温的温度优选为1190～1220℃，更优选为1200～1210℃，保温时间优选为28～32分钟，更优选为30分钟。
本发明优选采用三次升温进行气氛预热，对于小尺寸的高速钢使用较短的保温时间，大尺寸的高速钢需要一定时间使材料的温度均匀化。
在本发明中，所述机油淬火为将气氛预热后的产物放入机油中进行淬火。
在本发明中，所述空冷的方法优选为：
将机油淬火后的产物在空气中放置15～25分钟。
在本发明中，所述空气优选为室温低湿度空气，所述室温优选为21～27℃，更优选为24℃。
在本发明中，所述放置时间优选为18～22分钟，更优选为20分钟。
本发明中，淬火后获得马氏体和部分残余奥氏体，马氏体较多对于性能有益，淬火后室温下停留时间越长，后期回火残余奥氏体消除越困难，本发明优选控制在空气中停留时间在上述范围内，能够获得性能更好的高速钢刀具。
在本发明中，所述一次回火的温度优选为520～540℃，更优选为525～535℃，最优选为530℃；升温时间优选为45～55分钟，更优选为48～52分钟，最优选为50分钟；保温时间优选为0.8～1.2小时，更优选为1小时。在本发明中，所述一次回火优选在气氛马弗炉中进行。
在本发明中，所述深冷处理的介质优选为液氮，处理温度优选为-190～-200℃，更优选为-196℃；处理时间优选为20～30小时，更优选为22～28小时，最优选为24～26小时。在本发明中，所述深冷处理后优选将深冷处理后的产物恢复至室温。
在本发明中，所述二次回火的温度优选为555～565℃，更优选为568～562℃，最优选为560℃；升温时间优选为55～65分钟，更优选为58～62分钟，最优选为60分钟；保温时间优选为0.8～1.2小时，更优选为1小时。
在本发明中，所述三次回火的温度优选为535～545℃，更优选为538～542℃，最优选为540℃；升温时间优选为45～55分钟，更优选为48～52分钟，最优选为50分钟；保温时间优选为0.8～1.2小时，更优选为1小时。
在本发明中，所述高速钢刀具的成分优选为：
C：1.5～1.8wt％，
W：9.0～11.0wt％，
Mo：2.0～4.0wt％，
Cr：4.0～6.0wt％，
Co：8.0～9.0wt％，
V：4.0～6.0wt％，
Si：0.2～0.5wt％，
S：≤0.02wt％，
P：≤0.02wt％，
余量为Fe。
在本发明中，所述C的质量含量优选为1.6～1.7％；所述W的质量含量优选为10％；所述Mo的质量含量优选为2.5～3.5％，更优选为3％；所述Cr的质量含量优选为4.5～5.5％，更优选为5％；所述Co的质量含量优选为8.5％；所述V的质量含量优选为4.5～5.5％，更优选为5％；所述Si的质量含量优选为0.3～0.4％。
本发明提供的放电等离子体烧结粉末高速钢的制备方法，能够缩短烧结时间、提高生产效率、得到细小均匀材料组织，在1030～1090℃烧结温度、50MPa烧结压力和5分钟保温工艺下，材料致密度达到99％以上。与现有技术相比，本发明对放电等离子体烧结粉末高速钢刀具采用气氛预热、机油淬火和深冷处理的新工艺，使放电等离子体烧结粉末高速钢刀具的硬度、耐磨性、综合力学性能及使用寿命得到显著改善。
本发明使用精细金属粉体(150μm以下，平均粒度在20-50μm之间)制备出高于工业产品材料致密度、高硬度、高耐磨性的产品，采用高性能放电等离子体粉末高速钢刀具的制备工艺，并且经过深冷工艺处理后的放电等离子体烧结粉末高速钢刀具的硬度和耐磨性得到显著改善。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例和比较例提供的高速钢刀具制备方法的工艺流程图；
图2为放电等离子烧结的原理图；
图3为本发明实施例2制备的烧结体的显微组织图；
图4为本发明实施例和比较例制备的高速钢刀具的硬度实验数据；
图5为本发明实施例和比较例制备的高速钢刀具的红硬性实验数据；
图6为本发明实施例和比较例制备的高速钢刀具的磨损性能实验数据；
图7为实施例2制备的高速钢刀具的相对密度实验数据。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
比较例1
按照图1中的工艺流程1进行制备：
将合金粉末进行放电等离子体烧结，得到烧结体；所述放电等离子体烧结的温度为1070℃，压力为50MPa，保温时间为5分钟。
将所述烧结体在氩气气氛炉中进行热处理，升至700℃保温10分钟，升至900℃保温10分钟，升至1210℃保温30分钟；
将保温好的产物快速放入机油中淬火；
将机油淬火后的产物在空气中放置20分钟进行空冷，并擦拭干净表面油污；
将空冷后的产物在530℃的气氛回火炉中进行一次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时；
将一次回火后的产物在560℃的气氛回火炉中进行二次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时；
将二次回火后的产物在540℃的气氛回火炉中进行三次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时，得到高速钢刀具。
采用GB/T 223《钢铁及合金化学分析方法》系列标准，对本发明比较例1制备的高速钢刀具进行成分检测，检测结果为：1.62wt％C、4.93wt％Cr、2.40wt％Mo、5.02wt％V、10.30wt％W、8.28wt％Co、0.28wt％Si，余量为Fe和杂质。
按照下述方法进行硬度检测：
设备为中国科学院上海光学精密机械研究所多功能数显洛氏硬度计，使用HRC模式，在钢样表面随机选点，测试5次，取平均值，详细实验结果如图4，图4为按照比较例1的方法，其他工艺条件不变，只改变放电等离子烧结的温度为1030℃、1050℃、1070℃和1090℃下获得硬度实验数据。
按照下述方法进行磨损检测：
销盘式摩擦磨损实验条件，设备为济南益华摩擦学测试技术有限公司MMU-10型销盘式摩擦磨损试验机，施加载荷为1000N，转速为400r/min，摩擦磨损时间为30分钟，对磨材料为热等静压法制备的同种材料对磨片，进行5次，取平均值，检测结果如图6所示，图6为按照比较例1的方法，其他工艺条件不变，只改变放电等离子烧结的温度为1030℃、1050℃、1070℃和1090℃下获得硬度实验数据。
按照下述方法进行红硬性检测：
将材料置于氩气气氛炉内，执行600℃、4h的热处理制度，一般此工艺后材料的室温硬度下降，采用处理前和处理后的材料硬度差值评判其红硬性，详细实验结果如图5，图5为按照比较例1的方法，其他工艺条件不变，只改变放电等离子烧结的温度为1030℃、1050℃、1070℃和1090℃下获得硬度实验数据。
检测结果为，比较例1制备的高速钢刀具的平均洛氏硬度为66.26HRC；实验平均失重为0.01958g；红硬性测试后平均洛氏硬度的差值为3HRC。
实施例1
按照图1中的工艺流程4制备：
将合金粉末进行放电等离子体烧结，得到烧结体；所述放电等离子体烧结的温度为1070℃，压力为50MPa，保温时间为5分钟。
将上述烧结体在氩气气氛炉中进行热处理，升至700℃保温10分钟，升至900℃保温10分钟，升至1210℃保温30分钟；
将保温好的产物放入机油中淬火；
将机油淬火后的产物在空气中放置20分钟进行空冷，并擦拭干净表面油污；
将空冷后的产物在530℃的气氛回火炉中进行一次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时；
将一次回火后的产物在560℃的气氛回火炉中进行二次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时；
将二次回火后的产物在540℃的气氛回火炉中进行三次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时；
将三次回火后的产物浸入液氮罐中深冷处理24小时，然后将深冷处理后的产物取出恢复至室温，得到高速钢刀具。
按照比较例1的方法，对本发明实施例1制备的高速钢刀具进行成分检测，检测结果为：1.62wt％C、4.93wt％Cr、2.40wt％Mo、5.02wt％V、10.30wt％W、8.28wt％Co、0.28wt％Si，余量为Fe和杂质。
按照比较例1的方法，对本发明实施例1制备的高速钢刀具进行性能检测，详细检测结果如图4、图5和图6，图4、图5和图6为按照实施例1的方法，其他工艺条件不变，只改变放电等离子烧结的温度为1030℃、1050℃、1070℃和1090℃下获得的实验数据；检测结果为，实施例1的平均洛氏硬度为66.52HRC，实验平均失重为0.0152克，红硬性测试后平均洛氏硬度差值为2.68HRC。
实施例2
按照图1中的工艺流程2制备：
将合金粉末进行放电等离子体烧结，得到烧结体；所述放电等离子体烧结的温度为1070℃，压力为50MPa，保温时间为5分钟。
将所述烧结体在氩气气氛炉中进行热处理，升至700℃保温10分钟，升至900℃保温10分钟，升至1210℃保温30分钟；
将保温好的产物快速放入机油中淬火；
将机油淬火后的产物在空气中放置20分钟进行空冷，并擦拭干净表面油污；
将空冷后的产物在530℃的气氛回火炉中进行一次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时；
将一次回火后的产物浸入液氮罐中深冷处理24小时，然后将深冷后的产物取出恢复至室温；
将恢复至室温的产物在560℃的气氛回火炉中进行二次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时；
将二次回火后的产物在540℃的气氛回火炉中进行三次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时，得到高速钢刀具。
按照比较例1的方法对本发明实施例2制备的高速钢刀具进行成分检测，检测结果为：1.62wt％C、4.93wt％Cr、2.40wt％Mo、5.02wt％V、10.30wt％W、8.28wt％Co、0.28wt％Si，余量为Fe和杂质。
按照比较例1的方法对本发明实施例2制备的高速钢刀具进行性能检测，详细检测结果如图4、图5和图6，图4、图5和图6为按照实施例2的方法，其他工艺条件不变，只改变放电等离子烧结的温度为1030℃、1050℃、1070℃和1090℃下获得的实验数据；检测结果为，实施例2制备的高速钢刀具的平均洛氏硬度为66.62HRC，实验平均失重为0.0135克，红硬性测试后平均洛氏硬度差值为1.89HRC。
材料密度测试方法为阿基米德排水法测密度，材料理论计算密度采用8.2g/cm3，测试得到的产品密度约为8.13g/cm3，相对致密度为实测密度与材料理论密度之比，本发明实施例2制备的产品相对致密度为99.26％，详细实验结果见图7，图7为按照实施例2的方法，其他工艺条件不变，只改变放电等离子烧结的温度为1030℃、1050℃、1070℃和1090℃下获得的相对致密度的实验数据。
对本发明实施例2制备的高速钢刀具进行取样，在4％硝酸酒精中腐蚀14s，SEM的背散射模式拍摄得到显微组织图，如图3所示，本发明通过优选粉末粒径，获得晶粒较细的组织，且通过该工艺获得碳化物小，强化效果好。
实施例3
按照图1中的工艺流程3制备：
将合金粉末进行放电等离子体烧结，得到烧结体；所述放电等离子体烧结的温度为1070℃，压力为50MPa，保温时间为5分钟。
对所述烧结体在氩气气氛炉中进行热处理，升至700℃保温10分钟，升至900℃保温10分钟，升至1210℃保温30分钟；
将保温好的产物快速放入机油中淬火；
将机油淬火后的产物在空气中放置20分钟进行空冷，并擦拭干净表面油污；
将空冷后的产物在530℃的气氛回火炉中进行一次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时；
将一次回火后的产物在560℃的气氛回火炉中进行二次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时；
将二次回火后的产物浸入液氮罐中深冷处理24小时，然后将深冷处理后的产物取出恢复至室温；
将恢复室温的产物在540℃的气氛回火炉中进行三次回火，升温时间50分钟，保温时间1小时，得到高速钢刀具。
按照比较例1的方法，对本发明实施例3制备的高速钢刀具进行成分检测，检测结果为：1.62wt％C、4.93wt％Cr、2.40wt％Mo、5.02wt％V、10.30wt％W、8.28wt％Co、0.28wt％Si，余量为Fe和杂质。
按照比较例1的方法，对本发明实施例3制备的高速钢刀具进行性能检测，详细检测结果如图4、图5和图6，图4、图5和图6为按照实施例3的方法，其他工艺条件不变，只改变放电等离子烧结的温度为1030℃、1050℃、1070℃和1090℃下获得的实验数据；检测结果为，实施例3制备的高速钢刀具的平均洛氏硬度为66.91HRC，实验平均失重为0.011克，红硬性测试后平均洛氏硬度差值为1.73HRC。
由以上实施例可知，本发明提供了一种高速钢刀具的制备方法，包括：将合金粉末进行放电等离子体烧结，得到烧结体；将所述烧结体进行气氛预热、机油淬火、空冷、一次回火、深冷处理、二次回火和三次回火，得到高速钢刀具。与现有技术相比，本发明对放电等离子体烧结粉末高速钢刀具采用气氛预热、机油淬火和深冷处理的新工艺，使放电等离子体烧结粉末高速钢刀具的硬度、耐磨性、综合力学性能及使用寿命得到显著改善。

Claims (10)

1.一种高速钢刀具的制备方法，包括：
将合金粉末进行放电等离子体烧结，得到烧结体；
将所述烧结体进行气氛预热、机油淬火、空冷、一次回火、深冷处理、二次回火和三次回火，得到高速钢刀具。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合金粉末的平均粒度为20～50微米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放电等离子体烧结的温度为1030～1090℃，烧结压力为45～55MPa，保温时间为3～7分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气氛预热的气氛为氩气，预热的方法为：
将所述烧结体升温至680～720℃保温8～12分钟，再升温至880～920℃保温8～12分钟，最后升温至1180～1230℃保温25～35分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空冷的方法为：
将机油淬火后的产物在空气中放置15～25分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一次回火的温度为520～540℃，升温时间为45～55分钟，保温时间为0.8～1.2小时。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述深冷处理的介质为液氮，温度为-190～-200℃，时间为20～30小时。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二次回火的温度为555～565℃，升温时间为45～55分钟，保温时间为0.8～1.2小时。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三次回火的温度为535～545℃，升温时间为45～55分钟，保温时间为0.8～1.2小时。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速钢刀具的成分为：
C：1.5～1.8wt％，
W：9.0～11.0wt％，
Mo：2.0～4.0wt％，
Cr：4.0～6.0wt％，
Co：8.0～9.0wt％，
V：4.0～6.0wt％，
Si：0.2～0.5wt％，
S：≤0.02wt％，
P：≤0.02wt％，
余量为Fe。
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