CN113684426B - 一种高钨钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高钨钢及其制备方法，按质量百分比计，包括：0.15‑0.2%的C，3.8~4.0%的Cr，0.9~1.1%的V，28.0~31.0%的W，3.0~3.3%的Mo，以及余量的Fe和不可避免的杂质。本发明的高钨钢采用了双激光光束同时扫描的方式进行材料制备与成形，能够有效调控钨在钢中的形态和分布情况，使钨均匀弥散地分布在基体中。同时合理控制激光增材制造的工艺参数从而优化高钨钢的组织和性能。并且本发明还提出了增材制造高钨钢YDS013的热处理制度，采用急冷处理+深冷处理的方式，降低残余奥氏体含量，改善马氏体的形态，获得最优性能。本发明为结构复杂的高钨钢切削刀具和模具零件的制造提供了一种切实可行的方法。
Description
技术领域
本发明涉及激光材制造合金钢的方法，尤其是涉及一种高钨钢的激光增材制备方法。
背景技术
高钨钢具有高硬度、高韧性、高耐磨性和高红硬性的特点，广泛用于制造高速切削工具、高载荷模具等。目前高钨钢零件主要通过熔炼+铸造的方式进行制造，由于其凝固速度缓慢，在结晶前形成大量碳和合金元素的偏析，从而形成晶间碳化物网，大大降低了其性能。同时，在制造形状复杂、结构特殊的零件时，往往需要进行复杂的机加工，成本高且成品率低。
金属增材制造技术是将快速原型技术和金属熔覆技术相结合的一种先进制造技术。增材制造过程中，高能热源不断形成微小熔池，微小熔池内部金属原材料进行冶金反应，可实现高性能材料制备与复杂构件制造一步完成。增材制造技术高度柔性的特质可以实现高性能非平衡材料与复杂结构制造，成形构件具有无宏观偏析、成分均组织致密的快速凝固非平衡组织，综合力学性能优异。利用高能热源直接制造金属零件的增材制造技术已广泛应用于航空、航天和国防科技中高性能关键零部件的快速制造或修复。目前，增材制造技术已经用于制备高温合金、钛合金、高强钢、金属基复合材料、金属间化合物等材料的成形件，因此将增材技术例如激光增材应用于高钨钢的成形制备，有望解决高钨钢制备过程中长期存在的偏析、成品率低的问题。
然而传统高钨钢由于其碳含量较高，凝固过程中容易发生开裂，增材制造困难，成品率低，从而引入其他的成形问题。为此可以考虑降低高钨合金钢中碳的含量而提高合金钢中钨的含量。但是过高的钨含量导致难以有效进行球形粉末的制备，从而也无法获得满足激光增材制造所需的送粉要求而同样难以成功运用激光增材制造工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高钨钢及其制备方法，利用增材制造技术同时实现材料制备和成形。
第一，本发明提供一种高钨钢，按质量百分比计，包括：0.15-0.2%的C，3.8~4.0%的Cr，0.9~1.1%的V，28.0~31.0%的W，3.0~3.3%的Mo，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
进一步优选的，所述高钨钢，按质量百分比计，包括：0.17-0.19%的C，3.8~3.9%的Cr，0.95~1.05%的V，30.5~31.0%的W，3.15~3.2%的Mo，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
进一步优选的，所述高钨钢的组织由回火马氏体、细小碳化物以及弥散分布的钨组成，显微硬度至少为1000HV。
第二，本发明还提供了上述技术方案所述的高钨钢制备方法，包括以下步骤：
1）准备预合金粉和纯钨粉，以使得预合金粉和纯钨粉的配比满足所述高钨钢的成分要求；
2）采用双激光光束同时扫描进行高钨钢的增材制造，具体是将所述预合金粉和纯钨粉分别对应为其中一激光束进行送粉；所述预合金粉送粉的激光束位于所述纯钨粉送粉的激光束的前面，并且前一激光束的功率大于后一激光束的功率；
3）激光增材制造完成后进行热处理。
进一步优选的，所述预合金粉中，按质量百分比计，包括：0.2-0.26%的C，4.9~5.2%的Cr，1.2-1.4%的V，3.0-3.3%的W，4.0-4.5%的Mo，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
进一步优选的，两激光束相对于竖直线对称分布并分别与竖直线形成夹角α，α为10-15°；两激光束的光斑大小相同；在两激光头不发生干涉的情况下，尽量使后一激光束的光斑紧靠前一激光束的光斑但不重叠。
进一步优选的，后一激光束的功率为前一激光束的功率的30-35%。
进一步优选的，激光束的光斑短轴长度为2-3mm，激光扫描速度为300-400mm/min，前一激光功率选择1200W-1800W，预合金粉末的送粉量为300-500g/h，钨粉的送粉量和预合金粉的比例为10：3，扫描搭接率为40%-45%。
进一步优选的，所述热处理具体为，首先将激光增材制造完成的高钨钢随炉升温至1200℃并保温1h，使高钨钢完全奥氏体化，然后进行急冷淬火，急冷淬火为采用高速低温氮气冷却，然后采用液氮+酒精对零件在-75℃下进行0.75h的深冷处理，进一步促进马氏体转变，减少残余奥氏体含量，然后进行560℃的三次回火。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
首先，本发明采用特殊的双激光光束扫描+双送粉的工艺，有效解决了传统高钨钢碳含量较高以及增材制造成形的问题，实现了一种新型的高钨钢的增材制备方法，获得了具有优异组织和性能的新型高钨钢。
第二，通过控制双激光光束的功率大小，能够对高钨钢的增材成形进行更好的控制。
第三，通过优化激光增材的制造工艺参数，从而最优化高钨钢的组织和性能。
第四，通过对增材制造后的高钨钢进行特殊的热处理，优化高钨钢的组织，提高高钨钢的硬度和耐磨性。
附图说明
图1为本发明双光束扫描的双激光头及其对应形成的熔池示意图。
图2为本发明热处理工艺示意图。
图3为实施例1得到的高钨钢的显微组织照片。
图4为比较例1得到的高钨钢的显微组织照片。
具体实施方式
以下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描述。
实施例1
如前所述，传统高钨钢由于其碳含量较高，凝固过程中易开裂，增材制造困难，成品率低，本发明致力于研制一种新型的高钨钢YDS013，其成分如表1所示，其中，加入Cr有利于提高淬透性和一定程度改善耐蚀性，1%左右的V有利于提高磨削性能，加入Mo能够在回火时形成特殊的弥散分布的二次硬化碳化物，提高耐磨性，Co 与 Mo 同时加入能提高合金马氏体受热分解的稳定性，改善钢的红硬性，提高零件的使用寿命。由于碳含量的降低，钢中碳化物的含量降低，这将大大影响钢的硬度和耐磨性，因此发明人在设计钢成分时将钨的含量提高到30%左右，使钨在钢中不仅形成碳化物，同时也弥散分布在基体中。由于目标高钨钢YDS013的钨含量很高，而传统冶金过程中W在钢液中的溶解度很低，过量的W会以W单质或WC的形式在重力作用下沉于液态金属底部，造成铸造后W在铸锭中的分布极不均匀；同时也无法制备增材制造用的球形粉末。为此，本发明特意设计制备了钨含量降低为3%的粒径均匀、表面状态良好的球形预合金粉末YDS014（成分如表2所示），再采用激光增材制造技术，在微小熔池中加入钨粉进行原位冶金制备。
表1 YDS013化学成分（质量分数%）
表2 球形粉YDS014化学成分（质量分数%）
如图1所示，本发明特别采用了双激光光束同时扫描的方式进行高钨钢的增材制备，两个激光加工头沿着扫描方向一前一后对称分布在竖直线的两侧，与竖直线呈一定夹角，该倾斜夹角α一般为10-15°，在保证激光头不干涉的同时尽量减小该角度，以提高激光利用率和熔池的稳定性。在避免激光加工头干涉的同时，使后一激光束的光斑紧靠前一激光光斑但不重叠，以形成如图1中所示的两个熔池，在前一熔池中送入YDS014粉末，在后一熔池中送入平均粒径为5μm的钨粉。本发明之所以采用双激光光束+双送粉而未采用单激光束，是因为若在同一熔池中同时送入YDS014和钨粉，由于需保证YDS014完全熔化，激光采用大功率，熔池温度高，而大功率情况下钨粉极易熔化并聚集于熔池底部，形成粗大的枝晶，严重影响零件的性能。本发明前一激光光束采用大功率，保证YDS014粉末完全熔化，后一激光光束紧靠前一激光光束，由于前一熔池仍然具有较高的温度，后一激光光束采用较小功率维持熔池熔化，并送入钨粉，就能保证钨粉弥散分布在基体中并形成良好的冶金结合，并避免钨粉大量熔化聚集，能够获得优异的性能，具体的，优选后一激光功率为前一激光功率的30%-35%，满足上述功率关系的能够获得更好的组织性能，因为后一激光功率如果过大会导致钨粉大量熔化聚集，而后一激光功率过小则会无法维持熔池温度导致钨粉不能与基体形成良好的冶金结合。为保证加工精度减少机加工加工量，采用小激光光斑，光斑短轴长度选择2-3mm。同时，本发明两激光光束保持相同的光斑大小，相同的扫描速度，扫描速度选择300-400mm/min；前一激光功率选择1200W-1800W，与光斑短轴长度呈正比；YDS014粉末送粉量一般为300-500g/h，钨粉的送粉量和YDS014粉末的比例为3:10，按此比例可基本可以比较好的得到目标设计的YDS013成分；搭接率选择40%-45%，搭接率过大时，在搭接区钨会大量熔化并形成大量枝晶。
具体到本实施例，α选择10°，扫描速度选择320mm/min，前一激光功率选择1500W，后一激光功率选择500W，YDS014粉末送粉量选择410g/h，搭接率选择40%。
激光增材制造完成后的高钨钢零件需进行热处理，热处理制度如图2所示。首先将零件随炉升温至1200℃并保温1h，使高钨钢完全奥氏体化，然后进行急冷淬火，急冷淬火为采用高速低温氮气对零件进行冷却，相比与传统油淬和水淬能够较大程度上减少零件的开裂和变形，同时维持较大的冷却速度，促进马氏体转变。由于急冷处理的马氏体转变仍然不够完全，采用液氮+酒精对零件在-75℃下进行0.75h的深冷处理，进一步促进马氏体转变，减少残余奥氏体含量。然后进行560℃的三次回火，三次回火能够避免碳化物粗化，使碳化物细小弥散的分布在基体中，提高零件的硬度和耐磨性。
图3中3a为本实施例激光增材制备得到的YDS013高钨钢低倍显微组织照片，图3中3b为本实施例激光增材制备得到的YDS013高钨钢高倍显微组织照片，由照片可以看出，高钨钢的组织由回火马氏体、细小碳化物以及弥散分布的钨组成，经测试其平均具有1000HV的显微硬度。
实施例2
若不按照本发明给出的工艺参数进行增材，比如，α选择10°，扫描速度选择320mm/min，前一激光功率选择1500W，后一激光功率选择1000W，YDS014粉末送粉量选择410g/h，搭接率选择40%，则会在成形中由于熔池冶金条件不充分，形成微裂纹、气孔等缺陷，成形质量很差，如图4所示的组织形貌。
实施例3
若不按照本发明给出的参数进行热处理，例如按照3-1、3-2和3-3的热处理制度分别进行热处理，则无法充分发挥高W含量钢析出相强化的潜力。固溶条件不充分会导致凝固析出相含量高，析出相含量低，强化效果减弱；回火条件不当，则会导致析出相含量少，或析出相长大，也会降低合金强度和硬度。表3显示了实施例1和实施例3各热处理工艺制度实施后高钨钢的硬度测试结果。
表3 各实施例热处理工艺制度实施后高钨钢的硬度测试结果
| 序号 | 热处理制度 | 显微硬度/HV |
| 1 | 1200℃/1h，深冷；560℃/1h×3次 | 1000±15 |
| 3-1 | 1200℃/1h，WQ至室温；560℃/1h×3次 | 950±12 |
| 3-2 | 1100℃/1h，深冷；560℃/1h×3次 | 940±10 |
| 3-3 | 1200℃/1h，深冷；560℃/3h×1次 | 900±20 |
综上，本发明创新性的采用了双激光光束同时扫描的方式进行材料制备与成形，能够有效调控钨在钢中的形态和分布情况，使钨均匀弥散地分布在基体中。同时合理控制激光增材制造的工艺参数从而优化高钨钢的组织和性能。并且本发明还提出了增材制造高钨钢YDS013的热处理制度，采用急冷处理+深冷处理的方式，降低残余奥氏体含量，改善马氏体的形态，获得最优性能。本发明为结构复杂的高钨钢切削刀具和模具零件的制造提供了一种切实可行的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种高钨钢，其特征在于，按质量百分比计，由0.15~0.2%的C，3.8~4.0%的Cr，0.9~1.1%的V，28.0~31.0%的W，3.0~3.3%的Mo，以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。
2.根据权利要求1所述的高钨钢，其特征在于，按质量百分比计，由0.17~0.19%的C，3.8~3.9%的Cr，0.95~1.05%的V，30.5~31.0%的W，3.15~3.2%的Mo，以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。
3.根据权利要求1所述的高钨钢，其特征在于，所述高钨钢的组织由回火马氏体、细小碳化物以及弥散分布的钨组成，显微硬度至少为1000HV。
4.一种权利要求1-3任意一项所述的高钨钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）准备预合金粉和纯钨粉，以使得预合金粉和纯钨粉的配比满足所述高钨钢的成分要求；
2）采用双激光光束同时扫描进行高钨钢的增材制造，具体是将所述预合金粉和纯钨粉分别对应为其中一激光束进行送粉；所述预合金粉送粉的激光束位于所述纯钨粉送粉的激光束的前面，并且前一激光束的功率大于后一激光束的功率；
3）激光增材制造完成后进行热处理。
5.根据权利要求4所述的高钨钢的制备方法，其特征在于，所述预合金粉，按质量百分比计，由0.2~0.26%的C，4.9~5.2%的Cr，1.2~1.4%的V，3.0~3.3%的W，4.0~4.5%的Mo，以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。
6.根据权利要求5所述的高钨钢的制备方法，其特征在于，两激光束相对于竖直线对称分布并分别与竖直线形成夹角α，α为10~15°；两激光束的光斑大小相同；在两激光头不发生干涉的情况下，尽量使后一激光束的光斑紧靠前一激光束的光斑但不重叠。
7.根据权利要求6所述的高钨钢的制备方法，其特征在于，后一激光束的功率为前一激光束的功率的30~35%。
8.根据权利要求7所述的高钨钢的制备方法，其特征在于，激光束的光斑短轴长度为2~3mm，激光扫描速度为300~400mm/min，前一激光功率选择1200W~1800W，预合金粉末的送粉量为300~500g/h，钨粉的送粉量和预合金粉的送粉量的比例为10：3，扫描搭接率为40%~45%，所述预合金粉，按质量百分比计，由0.22~0.25%的C，4.9~5.05%的Cr，1.25~1.3%的V，3.0~3.1%的W，4.2~4.45%的Mo，以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。
9.根据权利要求4所述的高钨钢的制备方法，其特征在于，所述热处理具体为，首先将激光增材制造完成的高钨钢随炉升温至1200℃并保温1h，使高钨钢完全奥氏体化，然后进行急冷淬火，急冷淬火为采用高速低温氮气冷却，然后采用液氮+酒精对零件在-75℃下进行0.75h的深冷处理，进一步促进马氏体转变，减少残余奥氏体含量，然后进行560℃的三次回火。
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