專利名稱：一種用真空熱壓法制備粉末工具鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制備粉末冶金工具鋼領(lǐng)域，具體為一種用真空熱壓法制備粉末工具鋼的方法。
背景技術(shù)：
工具鋼是最重要的工具材料之一，它可以制成各種復(fù)雜形狀的刀具和模具，如銑刀、滾齒刀、剃齒刀、拉刀、縱剪刀、切邊模、壓模和擠壓模等，用于各種形式的機(jī)械加工過程，工具鋼中含有大量的合金元素，以保證其紅硬性，但同時(shí)帶來碳化物偏析問題，采用粉末冶金法則可從根本克服偏析缺陷，使其機(jī)械性能和使用壽命得以提高。
目前采用熱等靜壓工藝是在高溫(≥1100℃)和高壓(100～150MPa)下使金屬粉末制品成型及致密化，其密度接近理論密度，再熱變形，使工具鋼性能大幅度上升，但該方法所用冷、熱等靜壓設(shè)備十分昂貴、制造成本甚高。在文獻(xiàn)P.Hellman，et al.，Metal Powder Report，3279-83，1977；35254-256，1980；，4725-29，1992和G.Hoyle的書′High speed steels′，1988，London，Butterworths中均有此法介紹。另外，采用超固相液相燒結(jié)法制備粉末工具鋼，但燒結(jié)窗口較窄，即溫度波動(dòng)必須很小，因而工藝難于穩(wěn)定，燒結(jié)后會(huì)形成網(wǎng)狀碳化物，文獻(xiàn)C.S.Wright et al.，PowderMetall.，36213-，1993；38221-，1995對此有詳細(xì)說明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用真空熱壓法制備粉末工具鋼的方法，能夠同時(shí)解決碳化物偏析和結(jié)構(gòu)不致密等問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是將60～325目合金工具鋼粉末置于石墨模具中，將工具鋼合金粉末在真空度為8×10-1～8×10-3Pa下加熱至固相線溫度以下5～40℃時(shí)保溫，然后加壓1～10MPa，當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到1×10-3/min以下時(shí)停止加壓，待致密完成后隨爐冷卻。
所述加壓較好為2～6MPa；所述合金工具鋼可以為鉬系高速鋼，如M2(Fe-0.9C-6W-5Mo-4Cr-2V)、M4(Fe-1.3C-6W-5Mo-4Cr-4V)、M50(0.8C-4Mo-4Cr-1V)和M42(Fe-1.1C-1.5W-10Mo-8Co4Cr-1V)；所述合金工具鋼還可以為鎢系高速鋼，如T1(Fe-0.8C-18W-4Cr-1V)、T15(Fe-1.5C-12W-1Mo-5Co-4Cr-5V)；所述合金工具鋼還可以為冷作工具鋼，如Cr12MoV(Fe-12Cr-1Mo-0.5V)。
本發(fā)明的原理是將水霧化或氣霧化的工具鋼粉末加熱至該材料的固相線溫度以下，此時(shí)尚未出現(xiàn)液相，因而不可能出現(xiàn)晶界網(wǎng)狀碳化物，但此時(shí)材料的表觀屈服應(yīng)力已較低，采用較低的熱壓壓力，如1～10MPa，即可產(chǎn)生粉末材料的塑性流動(dòng)和粘性流動(dòng)，并因此而消除空洞，實(shí)現(xiàn)致密化，得到相對密度大于99.8％的工件，其中碳化物無偏析，碳化物的粒度3～7μm，由于整個(gè)過程在真空中進(jìn)行，粉末材料的氧含量降低至100ppm以下。
本發(fā)明采用石墨為模具，以同時(shí)承受高溫和壓力，并得到所需工件的形狀，在接近于工件的模具內(nèi)設(shè)置熱電偶，以求準(zhǔn)確測量工件的溫度，保證其加熱過程接近但不超過固相線溫度。
本發(fā)明采用中國專利申請(申請?zhí)枮?1114076.3，申請日為2001年6月15日)中所述的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變速率控制方法，通過在真空熱壓裝置中設(shè)置應(yīng)變傳感器，控制應(yīng)變速率，以測量粉末體的致密化過程，所述熱壓測控程序具體流程為首先設(shè)定熱壓溫度T設(shè)、熱壓壓力P和終止熱壓應(yīng)變速率，設(shè)終止熱壓應(yīng)變速率設(shè)為1×10-3/min；開始加熱，讀取實(shí)際熱壓溫度值T，判斷實(shí)際熱壓溫度T是否大于等于設(shè)定熱壓溫度T設(shè)(低于固相線溫度5～40℃)，如大于等于此值，則進(jìn)行恒溫操作，否則繼續(xù)加熱；在恒溫控制的同時(shí)加壓，讀取熱壓壓力值，并保持壓力P；讀取實(shí)際應(yīng)變數(shù)據(jù)，判斷應(yīng)變速率是否小于等于終止熱壓應(yīng)變速率設(shè)定值，若是肯定結(jié)果，則停止加熱自動(dòng)卸壓，冷卻后可取出熱壓樣品。
本發(fā)明的有益效果是1.可得到全致密無偏析的工具材料，本發(fā)明是采用真空熱壓法制備粉末工具鋼，同時(shí)解決了碳化物偏析和結(jié)構(gòu)不致密等問題，將工具鋼合金粉末加熱至固相線溫度以下5～40℃時(shí)保溫，在真空度為8×10-1～8×10-3Pa下，加壓1～10MPa，應(yīng)變速率達(dá)1×10-3/min時(shí)停止加壓，可產(chǎn)生粉末材料的塑性流動(dòng)和粘性流動(dòng)，并因此而消除空洞，實(shí)現(xiàn)致密化，得到相對密度大于99.8％的工件，其中碳化物無偏析，碳化物的粒度3～7μm。
2.成本低，傳統(tǒng)的熱等靜壓工藝在高溫(≥1100℃)和高壓(100～150MPa)下使金屬粉末制品成型及致密化，所用冷、熱等靜壓設(shè)備十分昂貴，從而導(dǎo)致成本甚高，而本發(fā)明采用真空熱壓法，工件的所受壓力1～10MPa，壓力可降低1～2個(gè)數(shù)量級，設(shè)備簡單，成本大幅度降低。
3.利用本發(fā)明可以制備大型復(fù)雜零件毛坯，如帶孔和法蘭等，材料利用率高。


圖1為本法制備的粉末高速鋼鋸片照片。
圖2為本法制備粉末高速鋼鋸片時(shí)的致密化曲線。
圖3為本法制備的粉末高速鋼剃齒刀照片。
圖4為本法制備粉末高速鋼剃齒刀時(shí)的致密化曲線。
圖5為本法制備的粉末高速鋼縱剪刀照片。
圖6為本法制備粉末高速鋼縱剪刀時(shí)的致密化曲線。
圖7為本法制備之粉末高速鋼縱剪刀的顯微組織。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1 真空熱壓M2粉末高速鋼鋸片鋸片的幾何尺寸為外262mm、內(nèi)孔18mm、h3.5mm，如圖1。采用M2水霧化合金粉末成分為Fe-0.9％C-5.5％W-4.5％Mo-4.4％Cr-2.2％V-0.04％O，該鉬系高速鋼的固相線溫度約為1242℃。粉末的粒度為80～325目，粒度分布見表1。
表1 M2水霧化合金粉末的粒度分布粒度 -60+80-80+100 -100+160 -160+200 -200+260 -260+320 -320百分比14.9 14.5 35.0 11.8 8.4 6.7 8.7將M2合金粉末置于石墨模具中，放入真空熱壓室，在真空度為5×10-2Pa下加熱至1225～1235℃，然后加壓1.3MPa，保溫時(shí)間80分鐘，應(yīng)變速率達(dá)5×10-4/min時(shí)停止加壓，取出工件后，測得其相對密度為99.8％，其中碳化物無偏析，碳化物粒度3～7μm，氧含量60ppm。
該工件的致密化曲線見圖2。
實(shí)施例2 真空熱壓M4粉末高速剃齒刀與實(shí)施例1不同之處是剃齒刀的幾何尺寸為外128mm、內(nèi)70mm、孔31mm、h22mm，見圖3。
采用水霧化M4合金粉末，其成分為Fe-1.25％C-6.5％W-4.5％Mo-4.2％Cr-4.2％V-0.05％O，該鉬系高速鋼的固相線溫度約為1240℃，粉末的粒度為80～325目，粒度分布見表2。
表2 M4水霧化合金粉末的粒度分布粒度 +60 -60+80-80+100 -100+160 -160+200 -200+260-260+320 -320百分比0.1 14.8 14.6 34.9 11.9 8.3 6.88.6將M4合金粉末置于石墨模具中，放入真空熱壓室，在真空度為8×10-2Pa下加熱至1210～1230℃，然后加壓4.5MPa，時(shí)間50分鐘，應(yīng)變速率達(dá)2.5×10-4/min時(shí)停止加壓，取出工件后，測得相對密度為99.9％，其中碳化物無偏析，碳化物粒度3～6μm，氧含量90ppm。
該工件的致密化曲線見圖4。
實(shí)施例3 真空熱壓M4粉末高速鋼縱剪刀與實(shí)施例1不同之處是縱剪刀的幾何尺寸為外276mm、內(nèi)200mm、h25mm，見圖5。所用粉末原料同實(shí)施例2。
將合金粉末置于石墨模具中，在真空度為8×10-3Pa下加熱至1210～1235℃，加壓2.3MPa，保溫時(shí)間55分鐘，應(yīng)變速率達(dá)5×10-4/min時(shí)停止加壓，取出工件后，測得到相對密度為99.85％，其中碳化物無偏析，碳化物粒度3～7μm，氧含量70ppm。該工件的致密化曲線見圖6，其顯微組織見圖7。
實(shí)施例4 真空熱壓T1粉末高速鋼試樣與實(shí)施例1不同之處是試樣的幾何尺寸為50×h20mm，采用水霧化鎢系T1高速鋼合金粉末，其成分為Fe-0.8％C-18％W-4％Cr-1％V-0.05％O，該合金固相線溫度約為1290℃，粉末的粒度為80～325目。將T1高速鋼合金粉末置于石墨模具中，放入真空熱壓室，在真空度為6×10-1Pa下加熱至1260～1280℃，然后加壓9MPa，時(shí)間30分鐘，應(yīng)變速率達(dá)2×10-4/min時(shí)停止加壓，取出工件后，測得相對密度為99.9％，其中碳化物無偏析，碳化物粒度3～6μm，氧含量90ppm。
權(quán)利要求
1.一種用真空熱壓粉末制備工具鋼的方法，其特征在于將60～325目合金工具鋼粉末置于石墨模具中，將工具鋼合金粉末在真空度為8×10-1～8×10-3Pa下加熱至固相線溫度以下5～40℃時(shí)保溫，然后加壓1～10MPa，當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到1×10-3/min以下時(shí)停止加壓。
2.按照權(quán)利要求1所述用真空熱壓粉末制備工具鋼的方法，其特征在于所述加壓為2～6MPa。
3.按照權(quán)利要求1所述用真空熱壓粉末制備工具鋼的方法，其特征在于所述合金工具鋼為鉬系高速鋼、鎢系高速鋼或冷作工具鋼。
4.按照權(quán)利要求3所述用真空熱壓粉末制備工具鋼的方法，其特征在于所述鉬系高速鋼為M2、M4、M50或M42；所述鎢系高速鋼為T1或T15；所述冷作工具鋼為Cr12MoV。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于粉末冶金制備工具鋼領(lǐng)域，具體為一種用真空熱壓法制備粉末工具鋼的方法，以得到全致密無碳化物偏析的粉末工具鋼。將霧化合金粉末置于石墨模具中，放入真空熱壓室，在真空度為8×10
文檔編號C22C33/02GK1560307SQ200410021159
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月18日
發(fā)明者王崇琳, 趙越, 鄭啟, 楊克努, 姜文濱, 管恒榮, 孫曉峰, 曹治言 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所