CN118028685A - 一种高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法。该制备方法包括：步骤1、选择原料粉；步骤2、将原料粉混合后进行特殊热等静压；步骤3、进行特殊热处理，得到高端特钢钨基或钴基粉末高速钢。本发明通过含钴钨基高速钢的多重强化机制，提升硬度、强度与韧性，可在高温下发挥摩擦自减摩性。且利用本发明提供的制备方法制得的材料属于特钢里的高端品类，碳化物分布均匀，尺寸细小，材料成型良好，综合性能优异，特别适合于对硬度和耐磨性等综合性能有更高要求的场合，易于实现工业化生产。

Description

一种高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法。

背景技术

业内悉知，粉末高速钢具有碳化物细小弥散、力学与耐磨性能优异和使用寿命长等特点，在粉末冶金、机械加工和建材等行业中，常用作拉刀、铣刀和螺杆等部件。而普通高速钢的制备工艺包括电渣重熔、浇注、电镀表层、挤压、真空淬火和氮化表面等工艺，且利用这些工艺制备的产品硬度、强度和耐磨性等性能较低，仅能够满足较低的使用性能要求，很难甚至无法应用在一些对整体的力学和耐磨等综合性能要求较高的场合。

热等静压工艺具有使高速钢材料致密性高、能大幅提升整体力学性能等优点，且经过热处理后的高速钢展现出明显的性能优势（见文献，Mater. Design 2023；230:111991），故热等静压和热处理后的粉末高速钢常用于制备高端制件。如在热等静压粉末高速钢中，含钴钨基粉末高速钢经过热处理后具有优异的高温硬度、高温强度和高温耐磨性等显著优势，已成为航空航天、汽车制造和模具加工等领域的理想材料。但目前现有技术中能够实现产业化的、且具有简易、低成本、高性能特点的热等静压法制备的高端特钢钨基粉末高速钢的相关技术尚属空白。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，当原料为钨基高速钢粉或钴基高速钢粉时，钨基高速钢粉或钴基高速钢粉中的钴元素分布在铁基体里，使高速钢具有良好的高温性能；此外，当原料由钨基高速钢粉或钴基高速钢粉与金属陶瓷粉以特定质量比形成的混合物时，金属陶瓷粉（例如Cr₂AlC粉、MoSi₂N₄粉或Cr₂AlB₂粉）较为稳定，由于具有类似石墨的多层薄片状结构，可在高温下发挥摩擦自减摩性，因此能够起到双重提升高温耐磨性能的作用。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

这种高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、选取原料：

所述原料为粒径为5μm~150μm的钨基高速钢粉或钴基高速钢粉；

或者，所述原料为钨基高速钢粉和具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的混合物，或者，所述原料为钴基高速钢粉和具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的混合物，且所述钨基高速钢粉、钴基高速钢粉、具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的粒径均为5μm~150μm；

步骤2、将所述原料放入包套中除气后进行热等静压，得到带包套的钨基或钴基粉末高速钢；

步骤3、将所述带包套的钨基或钴基粉末高速钢进行淬火和2~4次回火热处理，得到高端特钢钨基或钴基粉末高速钢。

具体地，所述钨基高速钢粉中W元素的质量百分比为5%~20%，Co元素的质量百分比为2%~10%。

具体地，所述钴基高速钢粉中W元素的质量百分比为5%~10%，Co元素的质量百分比为6%~12%。

具体地，当所述原料为钨基高速钢粉和具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的混合物时，或者，当所述原料为钴基高速钢粉和具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的混合物时，所述钨基高速钢粉或钴基高速钢粉与具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的质量比为7:3~19:1，并按照所述质量比通过混料机混合均匀后放入包套中。

具体地，步骤2中，所述热等静压的工艺过程为：

先以1℃/min~5℃/min的升温速率升温至900℃~1300℃，加压至100MPa~200MPa，保温保压0.5h~3h；

再以0.5℃/min~4.5℃/min的降温速率降温至700℃~900℃，压力降至30MPa~100MPa，保温保压0.5h~3h；

最后随炉冷却至室温。

具体地，步骤3中，所述淬火的工艺过程为：控制热处理炉的真空度在1×10^-5Pa~1×10^-2Pa范围之内；

先以2℃/min~8℃/min的升温速率升温至800℃~900℃，保温10min~30min；

再以5℃/min~15℃/min的升温速率升温至1100℃~1300℃，保温5min~15min；

最后在淬火液中淬火至室温。

具体地，所述淬火液为油或熔融的盐。

具体地，步骤3中，所述2~4次回火热处理中，每次回火热处理的工艺过程如下：以5℃/min~15℃/min的升温速率升温至500℃~600℃，保温0.5h~1.5h，空冷至室温。

具体地，所述具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉为Cr₂AlC粉。可选地，所述Cr₂AlC粉可替换为MoSi₂N₄粉或Cr₂AlB₂粉。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：

1)当原料仅选用钨基高速钢粉或钴基高速钢粉时，钨基或钴基粉末高速钢中的钴元素分布在铁基体里，形成的一些细小碳化物溶解在铁基体里的奥氏体中，使高速钢具有良好的高温性能；

2)选择具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉（例如Cr₂AlC粉）作为原料之一，是因为：金属陶瓷粉在相对较高温下比较稳定，可保持多层薄片状结构，能够阻碍裂纹扩展，提升断裂韧性，且具有较高温摩擦自减摩性，可增加粉末高速钢的高温耐磨性。同时，Cr₂AlC粉在更高温下会发生分解，生成含Cr碳化物和Al₂O₃，一旦产生裂纹，含Cr碳化物和Al₂O₃会填充至裂纹里，形成裂纹自恢复行为，可防止高温下材料的突然失效；

3)在原料为钨基高速钢粉或钴基高速钢粉的基础上，由于钨基高速钢粉或钴基高速钢粉中含有钴元素，与具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉（例如Cr₂AlC粉）在较高温下，可起到双重提升高温力学性能和耐磨性能的作用；并且，钨基高速钢粉或钴基高速钢粉与Cr₂AlC粉相结合，在更高温下裂纹自恢复后，与产生裂纹前相比，强度仅略有降低或持平，甚至会超过原有水平，具有无可比拟的抗热震性优势；

4)选择特定数值范围的热等静压速率、温度、时间和压力，可有效保证当前材料成型良好，避免裂纹和微孔的产生；

5)选择特定数值范围的热处理工艺，可有效避免材料开裂和产生孔洞，可使碳化物重新固溶、均匀析出分布，并控制在一定尺寸范围（0.5μm~2μm）内，大幅度提升了粉末高速钢的硬度和高温耐磨性；

6)本发明制备得到的高端特钢钨基或钴基粉末高速钢属于特钢里的高端品类，其常温和高温力学性能和耐磨性能优异，且钨基或钴基高速钢各物相与Cr₂AlC界面结合良好，综合性能优异，特别适合于对硬度和耐磨性等综合性能有更高要求的场合，易于实现工业化生产。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种高端特钢钨基粉末高速钢的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例1制备的高端特钢钨基粉末高速钢的500倍扫描电镜图；

图3为本发明实施例1制备的高端特钢钨基粉末高速钢的2000倍扫描电镜图；

图4为本发明实施例1制备的高端特钢钨基粉末高速钢的10000倍扫描电镜图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的例子。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

结合图1所示，本实施例提供了一种高端特钢钨基粉末高速钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、选取钨基高速钢粉为原料；所述钨基高速钢粉主要合金成分含量为：W:20%，Co: 10%，粒径为150μm；

步骤2、将步骤1中的钨基高速钢粉放入包套里除气后进行热等静压得到带包套钨基粉末高速钢；所述热等静压过程为：先以5℃/min的升温速率升温至1300℃，加压至200MPa，保温保压3h，再以4.5℃/min的降温速率降温至900℃，压力降至100MPa，保温保压3h；最后随炉冷却至室温；

步骤3、将步骤2中得到的带包套钨基粉末高速钢进行淬火和4次回火热处理；

所述淬火的工艺过程为：热处理炉真空度为1×10^-2Pa，先以8℃/min的升温速率升温至900℃，保温30min；再以15℃/min的升温速率升温至1300℃，保温15min；最后在油中淬火至室温；

所述4次回火热处理工艺为：以15℃/min的升温速率升温至600℃，保温1.5h，空冷至室温，重复该热处理工艺4次，得到高端特钢钨基粉末高速钢（一），经测试其硬度为HRC66，断裂韧性为25MPa·m^1/2。

图2为本实施例制备的高端特钢钨基粉末高速钢（一）的500倍扫描电镜图，由图2可知，其材料相对致密，且大量的白色碳化物颗粒（主要含W）均匀分布于大部分区域，而少部分区域分布有灰色碳化物颗粒，黑色铁基体里含有钴。

图3为本实施例制备的高端特钢钨基粉末高速钢（一）的2000倍扫描电镜图，由图3可知，白色碳化物颗粒尺寸细小，呈不规则形状，白色颗粒附近可发现灰色的碳化物颗粒，同样尺寸细小，呈不规则形状。

图4为本实施例制备的高端特钢钨基粉末高速钢（一）的10000倍扫描电镜图，由图4可知，白色与灰色碳化物尺寸均约1μm以内，形状呈多边形，起到细晶强化和第二相强化的作用，为钨基粉末高速钢可提供高硬度和高耐磨性。

实施例2

本实施例提供了另一种高端特钢钨基粉末高速钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、选取钨基高速钢粉和Cr₂AlC粉为原料；所述钨基高速钢粉主要合金成分含量为：W: 5%，Co: 2%，粒径为5μm，Cr₂AlC粉粒径为5μm；

步骤2、将步骤1中的钨基高速钢粉和Cr₂AlC粉通过混料机混合（钨基高速钢粉和Cr₂AlC粉的质量比为7:3），随后放入包套里除气后进行热等静压得到带包套钨基粉末高速钢；所述热等静压过程为：先以1℃/min的升温速率升温至900℃，加压至100MPa，保温保压0.5h，再以0.5℃/min的降温速率降温至700℃，压力降至30MPa，保温保压0.5h；最后随炉冷却至室温；

步骤3、将步骤2中得到的带包套钨基粉末高速钢进行淬火和2次回火热处理；

所述淬火的工艺过程为：热处理炉真空度为1×10^-5Pa，先以2℃/min的升温速率升温至800℃，保温10min，再以5℃/min的升温速率升温至1100℃，保温5min；最后在油中淬火至室温；

所述2次回火热处理工艺为：以5℃/min升温至500℃，保温0.5h，空冷至室温，重复该热处理工艺2次，得到高端特钢钨基粉末高速钢（二），经测试其硬度为HRC63，断裂韧性为28MPa·m^1/2。

实施例3

本实施例提供了又一种高端特钢钨基粉末高速钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、选取钨基高速钢粉和Cr₂AlC粉为原料；所述钨基高速钢粉主要合金成分含量为：W: 12.5%，Co: 6%，粒径为77.5μm，Cr₂AlC粉粒径为77.5μm；

步骤2、将步骤1中的钨基高速钢粉和Cr₂AlC粉通过混料机混合（钨基高速钢粉和Cr₂AlC粉的质量比为33:7），随后放入包套里除气后进行热等静压得到带包套钨基粉末高速钢；所述热等静压过程为：先以3℃/min的升温速率升温至1100℃，加压至150MPa，保温保压1.75h；再以2.5℃/min的降温速率降温至800℃，压力降至65MPa，保温保压1.75h；最后随炉冷却至室温；

步骤3、将步骤2中得到的带包套钨基粉末高速钢进行淬火和3次回火热处理；

所述淬火的工艺过程为：热处理炉真空度为5.005×10^-3Pa，先以5℃/min的升温速率升温至850℃，保温20min；再以10℃/min的升温速率升温至1200℃，保温10min；最后在油中淬火至室温；

所述3次回火热处理工艺为：以10℃/min的升温速率升温至550℃，保温1h，空冷至室温，重复该热处理工艺3次，得到高端特钢钨基粉末高速钢（三），经测试其硬度为HRC68，断裂韧性为27MPa·m^1/2。

实施例4

本实施例还提供了一种高端特钢钨基粉末高速钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、选择钴基高速钢粉和MoSi₂N₄粉为原料；所述钴基高速钢粉主要合金成分含量为：W: 6%，Co: 8%，粒径为100μm，MoSi₂N₄粉粒径为75μm；

步骤2、将步骤1中的钴基高速钢粉和MoSi₂N₄粉通过混料机混合（钴基高速钢粉和MoSi₂N₄粉的质量比为19:1），随后放入包套里除气后进行热等静压得到带包套钴基粉末高速钢；所述热等静压过程为：先以2℃/min的升温速率升温至950℃，加压至130MPa，保温保压2h；再以3℃/min的降温速率降温至850℃，压力降至60MPa，保温保压2h；最后随炉冷却至室温；

步骤3、将步骤2中得到的带包套钴基粉末高速钢进行淬火和4次回火热处理；

所述淬火的工艺过程为：热处理炉真空度为1×10^-3Pa，先以3℃/min的升温速率升温至860℃，保温25min；再以8℃/min的升温速率升温至1140℃，保温8min；最后在油中淬火至室温；

所述4次回火热处理工艺为：以7℃/min的升温速率升温至560℃，保温0.8h，空冷至室温，重复该热处理工艺4次，得到高端特钢钨基粉末高速钢（四），经测试其硬度为HRC64，断裂韧性为26MPa·m^1/2。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处为：将步骤一中所述钨基高速钢粉替换为钴基高速钢粉：所述钴基高速钢粉主要合金成分Co元素的质量百分比为8%，W元素的质量百分比为6%。通过与实施例1相同的方法得到高端特钢钨基粉末高速钢（五），经测试其硬度为HRC65，断裂韧性为28MPa·m^1/2。

对比例1

在实施例3的基础上，本对比例提供了一种特钢钨基粉末高速钢（六）的制备方法，与实施例3不同之处在于：

原料中钨基高速钢粉主要合金成分含量为：W: 12%，Co: 5%，粒径为150μm，Cr₂AlC粉粒径为75μm；且钨基高速钢粉和Cr₂AlC粉的质量比为1:1。

其余制备过程与实施例3相同，制得特钢钨基粉末高速钢（六），经测试其硬度为HRC61，断裂韧性为18MPa·m^1/2。

对比例2

在实施例3的基础上，本对比例提供了一种特钢钨基粉末高速钢（七）的制备方法，与实施例3不同之处在于：热等静压过程不同。

本对比例中采用的热等静压过程为：

以10℃/min的升温速率升温至1100℃，加压至150MPa，保温保压2h；最后随炉冷却至室温。

其余制备过程与实施例3相同，制得特钢钨基粉末高速钢（七），经测试其硬度为HRC63，断裂韧性为22MPa·m^1/2。

对比例3

在实施例3的基础上，本对比例提供了一种特钢钨基粉末高速钢（八）的制备方法，与实施例3不同之处在于：淬火的工艺过程不同。

本对比例中采用的淬火的工艺过程为：

热处理炉真空度为1×10^-3Pa，以20℃/min的升温速率升温至1210℃，保温10min；最后在油中淬火至室温。

其余制备过程与实施例3相同，制得特钢钨基粉末高速钢（八），经测试其硬度为HRC64，断裂韧性为21MPa·m^1/2。

通过将对比例1与实施例3比对可知：尽管对比例1中多层薄片状结构的金属陶瓷粉末的含量更高（占比为50%），但金属陶瓷粉末含量更高增加了当前钨基粉末高速钢的生产成本。此外，过多的金属陶瓷粉末使颗粒不能有效地分散开，造成团聚，使对比例1制得的钨基粉末高速钢（六）的硬度和断裂韧性更低（对比例1：硬度为HRC61，断裂韧性为18MPa·m^1/2；实施例3：硬度为HRC68，断裂韧性为27MPa·m^1/2）。

通过将对比例2与实施例3比对可知：对比例2采用“直接升温至热等静压目标温度，随后加压，保温保压后炉冷”的热等静压工艺，但“直接炉冷、没有控制降温速率”会引起高速钢里碳化物与基体过快转变产生热应力，易生成孔洞和裂纹，造成对比例2制得的钨基粉末高速钢（七）的硬度和韧性更低（对比例2：硬度为HRC63，断裂韧性为22MPa·m^1/2；实施例3：硬度为HRC68，断裂韧性为27MPa·m^1/2）。

通过将对比例3与实施例3比对可知：对比例3采用快升温速率直接升温至热处理淬火温度，而过快的升温速率造成高速钢里碳化物与基体产生较大的热应力，易造成裂纹的生成，使对比例3制得的钨基粉末高速钢（八）的硬度和韧性更低（对比例3：硬度为HRC64，断裂韧性为21MPa·m^1/2；实施例3：硬度为HRC68，断裂韧性为27MPa·m^1/2）。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、选取原料：

所述原料为粒径为5μm~150μm的钨基高速钢粉或钴基高速钢粉；

或者，所述原料为钨基高速钢粉和具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的混合物，或者，所述原料为钴基高速钢粉和具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的混合物，且所述钨基高速钢粉、钴基高速钢粉、具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的粒径均为5μm~150μm；

步骤2、将所述原料放入包套中除气后进行热等静压，得到带包套的钨基或钴基粉末高速钢；

步骤3、将所述带包套的钨基或钴基粉末高速钢进行淬火和2~4次回火热处理，得到高端特钢钨基或钴基粉末高速钢。

2.根据权利要求1所述的高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，其特征在于，所述钨基高速钢粉中W元素的质量百分比为5%~20%，Co元素的质量百分比为2%~10%。

3.根据权利要求1所述的高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，其特征在于，所述钴基高速钢粉中W元素的质量百分比为5%~10%，Co元素的质量百分比为6%~12%。

4.根据权利要求1所述的高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，其特征在于，当所述原料为钨基高速钢粉和具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的混合物时，或者，当所述原料为钴基高速钢粉和具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的混合物时，所述钨基高速钢粉或钴基高速钢粉与具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉的质量比为7:3~19:1，并按照所述质量比通过混料机混合均匀后放入包套中。

5.根据权利要求1所述的高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述热等静压的工艺过程为：

先以1℃/min~5℃/min的升温速率升温至900℃~1300℃，加压至100MPa~200MPa，保温保压0.5h~3h；

再以0.5℃/min~4.5℃/min的降温速率降温至700℃~900℃，压力降至30MPa~100MPa，保温保压0.5h~3h；

最后随炉冷却至室温。

6.根据权利要求1所述的高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述淬火的工艺过程为：控制热处理炉的真空度在1×10^-5Pa~1×10^-2Pa范围之内；

先以2℃/min~8℃/min的升温速率升温至800℃~900℃，保温10min~30min；

再以5℃/min~15℃/min的升温速率升温至1100℃~1300℃，保温5min~15min；

最后在淬火液中淬火至室温。

7.根据权利要求6所述的高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，其特征在于，所述淬火液为油或熔融的盐。

8.根据权利要求1所述的高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述2~4次回火热处理中，每次回火热处理的工艺过程如下：以5℃/min~15℃/min的升温速率升温至500℃~600℃，保温0.5h~1.5h，空冷至室温。

9.根据权利要求1所述的高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，其特征在于，所述具有多层薄片状结构的金属陶瓷粉为Cr₂AlC粉。

10.根据权利要求9所述的高端特钢钨基或钴基粉末高速钢的制备方法，其特征在于，所述Cr₂AlC粉可替换为MoSi₂N₄粉或Cr₂AlB₂粉。