高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒?，針?duì)噴射鋼中內(nèi)部空隙含有氮?dú)饧翱障?、疏松、不均勻等眾多?wèn)題，采用高溫等靜壓處理方法解決。該方法對(duì)噴射鋼的后續(xù)處理工藝包括等溫退火，高溫等靜壓處理，鍛造成型和完全退火的工藝流程。使用本發(fā)明不僅消除了噴射鋼錠中含有的氮?dú)饪障度毕荩€能夠分解噴射鋼水凝固過(guò)程中必然生成的大顆粒碳化物，使合金元素在微觀上均勻化，生產(chǎn)出高延展性，高韌性，各項(xiàng)性能均勻的模具鋼，鋼密度達(dá)到100%，市場(chǎng)前景廣闊。
【專利說(shuō)明】高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒?br> 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對(duì)噴射成型的噴射鋼進(jìn)行處理的方法，尤其涉及一種高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒ā?br> 【背景技術(shù)】
[0002]目前廣泛使用的工模具鋼，其制造工藝主要為三種，其一是絕大多數(shù)采用電爐、鋼包精煉、電渣重熔、鍛造、完全退火的傳統(tǒng)工藝；二是少數(shù)高合金高速鋼，高性能冷作模具鋼以及塑料模 具鋼采用粉末冶金工藝制成；三是還處于初始開(kāi)發(fā)階段的噴射成型冶煉工模具鋼。
[0003]噴射成型技術(shù)是一種快速凝固技術(shù)，利用霧化鋼水液滴在飛行過(guò)程中與氮?dú)獯蟊缺砻娣e的熱交換，鋼液滴溫度急劇下降，到達(dá)沉積表面時(shí)已有60% (體積分?jǐn)?shù))以上轉(zhuǎn)變成為固相，其冷卻速度可高達(dá)IO3-1O4 K/s。鋼水在這樣高的冷卻速度情況下，碳化物來(lái)不及析出，成為較大尺寸的碳化物可能性很小，金屬材料成分均勻，且鋼材內(nèi)部組織宏觀上均勻一致，且含氧量低。與傳統(tǒng)的鑄鍛工藝和粉末冶金工藝相比較，它流程短、工序簡(jiǎn)化、沉積效率高，不僅是一種先進(jìn)的制取坯料技術(shù)，還正在發(fā)展成為直接制造金屬零件的制程，已成為世界新材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。
[0004]高溫等靜壓技術(shù)是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，將制品放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等的壓力，同時(shí)施以高溫，在高溫高壓的共同作用下，制品得以燒結(jié)和致密化，使加工產(chǎn)品的均勻性好、性能優(yōu)異，同時(shí)該技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點(diǎn)。高溫等靜壓技術(shù)已成為當(dāng)今許多高性能材料生產(chǎn)中一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。
[0005]利用高溫等靜壓技術(shù)優(yōu)化噴射鋼坯的處理工藝有見(jiàn)報(bào)道，論文《噴射成形高速鋼沉積坯性能分析》(航空材料學(xué)報(bào)28卷06期2008年12月公開(kāi))，《噴射成形_熱等靜壓9V高釩鋼的組織與性能研究》(粉末冶金工業(yè)22卷03期2012年6月公開(kāi))均公開(kāi)了使用熱等靜壓技術(shù)對(duì)高速鋼坯進(jìn)行后續(xù)熱處理，以解決噴射鋼坯內(nèi)的局部顯微疏松、微觀孔隙及碳化物的問(wèn)題。
[0006]但是由于噴射成型過(guò)程結(jié)晶速度過(guò)快，難免產(chǎn)生含有氮?dú)獾目障?，而且不可避免地生成一些相?duì)尺寸較小的碳化物，碳化物尺寸根據(jù)碳含量，和碳化物合金元素的含量有所不同(3-15 μ m)。含氮?dú)饪障逗吞蓟锏拇嬖?，?yán)重地影響模具鋼的質(zhì)量，使得鋼材的延展性、抗崩角和抗開(kāi)裂性能降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種能夠消除噴射鋼內(nèi)部間隙中的氮?dú)獠⑼瑫r(shí)消除噴射鋼內(nèi)部空隙的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒?，其有效的提高了噴射鋼的質(zhì)量。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒ǎ趪娚涑尚偷膰娚滗摰暮罄m(xù)處理步驟中，設(shè)有消除噴射鋼內(nèi)部空隙中的氮?dú)?、并通過(guò)對(duì)噴射鋼加壓以焊合噴射鋼內(nèi)部的空隙的高溫等靜壓處理步驟。
[0009]通過(guò)高溫等靜壓處理步驟，使噴射鋼在處理過(guò)程中，內(nèi)部空隙中的氮?dú)馀c基體中的其它金屬元素如Al、Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成相應(yīng)的氮化物，進(jìn)而使氮?dú)獗讳撳V基體吸收，在消除噴射鋼錠空隙中氮?dú)獾耐瑫r(shí)，鋼錠基體受到等高壓作用，使氮?dú)獗晃蘸罅粝碌目障丁娚溥^(guò)程形成的微觀疏松、裂紋得到有效焊合，從而提高鋼坯密度。
[0010]作為對(duì)上述方式的限定，所述的高溫等靜壓處理步驟在高溫等靜壓爐內(nèi)進(jìn)行。
[0011]作為對(duì)本發(fā)明的限定，所述的后續(xù)處理步驟包括順次設(shè)置的對(duì)噴射鋼進(jìn)行等溫退火步驟，鍛造成型步驟和完全退火步驟，所述的高溫等靜壓處理步驟位于等溫退火步驟和鍛造成型步驟之間。
[0012]作為對(duì)上述方式的限定，所述的高溫等靜壓處理包括以下步驟:
步驟a，對(duì)噴射鋼初始升溫加壓，使噴射鋼達(dá)到預(yù)熱溫度Th和中間壓力Ph ；
步驟b，將噴射鋼于預(yù)熱溫度Th和中間壓力Ph下，保持時(shí)間tl;
步驟C，對(duì)噴射鋼進(jìn)行二次升溫加壓，使溫度達(dá)到高溫等靜壓溫度Te，壓力達(dá)到高溫等靜壓壓力Pe ；
步驟d，使噴射鋼于高溫等靜壓溫度Te和高溫等靜壓壓力Pe下；保持時(shí)間t2，以進(jìn)行高溫等靜壓處理；
步驟e，降溫減壓。
[0013]作為對(duì)上述方式的優(yōu)化，所述步驟a中的初始升溫加壓的加熱速度小于300°C/小時(shí)，預(yù)熱溫度Th為650°C至850°C。
[0014]作為對(duì)上述方式的優(yōu)化，所述步驟b中的保持時(shí)間tl為25_30mm有效厚度/I小時(shí)。
[0015]作為對(duì)上述方式的優(yōu)化，步驟c中，二次升溫加壓的加熱速度小于400°C /小時(shí)，高溫等靜壓溫度Te為1220°C至1350°C，高溫等靜壓壓力Pe為IOOMPa至200MPa。
[0016]作為對(duì)上述方式的限定，所述的中間壓力Ph為高溫等靜壓壓力Pe的一半。
[0017]作為對(duì)上述方式的限定，所述的保持時(shí)間t2為4至30小時(shí)。
[0018]作為對(duì)上述方式的限定，所述的步驟e中，降溫減壓時(shí)的冷卻速度小于300°C /小時(shí)，噴射鋼降溫減壓后的鋼錠表面溫度小于150°C,爐內(nèi)壓力大于50MPa。
[0019]噴射鋼錠進(jìn)行高溫等靜壓處理，就是使鋼錠在高溫高壓的狀態(tài)下保持一定時(shí)間。將室溫鋼錠逐步升溫加壓，以防止鋼錠內(nèi)部和表面裂紋的產(chǎn)生或者擴(kuò)大；達(dá)到預(yù)熱溫度和中間壓力后，保持一定時(shí)間，以使得鋼錠表面溫度與心部溫度區(qū)域一致；二次升溫加壓過(guò)程為防止鋼錠內(nèi)部和表面裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)大限定加熱速度；達(dá)到高溫等靜壓設(shè)定的溫度壓力后，一方面要使鋼錠中心熱透，充分發(fā)揮去除氮?dú)獾淖饔?，另一方面有效焊合?nèi)部空洞等缺陷；在最后的降溫減壓步驟要防止熱應(yīng)力所導(dǎo)致的表面裂紋的產(chǎn)生。高溫等靜壓工藝參數(shù)的控制是以等靜 壓處理能夠順利進(jìn)行并有效避免各種應(yīng)力導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的問(wèn)題的發(fā)生為基準(zhǔn)。
[0020]綜上所述，本發(fā)明采用上述方法，利用高溫等靜壓處理技術(shù)來(lái)解決噴射鋼錠中的氮?dú)鈿饪兹毕?。在高溫作用下，鋼錠中的氮?dú)馀c基體中的其它金屬元素如Al、Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成相應(yīng)的氮化物，使氮?dú)獗讳撳V基體吸收，有效消除了噴射鋼錠氣孔中的氮?dú)?；同時(shí)鋼錠基體在各向受到等高壓作用下，使氮?dú)獗晃蘸罅粝碌目障丁娚溥^(guò)程形成的微觀疏松、裂紋得到有效焊合，通過(guò)對(duì)高溫等靜壓的參數(shù)及工藝步驟的細(xì)化，可以實(shí)現(xiàn)鋼坯密度達(dá)到100%。此外，高溫等靜壓處理還可以分解噴射鋼中的較大顆粒碳化物，使得合金元素在微觀上實(shí)現(xiàn)均勻，生產(chǎn)出高端市場(chǎng)需求的可與粉末鋼相當(dāng)?shù)墓つ＞咪摬摹?br> 【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明:
圖1為本實(shí)施例中高溫等靜壓處理工藝曲線；
圖2為本實(shí)施例中完全退火工藝曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明涉及的高性能?chē)娚滗撝圃旆椒?，其設(shè)計(jì)思想在于該方法在噴射成型的噴射鋼的后續(xù)處理步驟中，設(shè)有消除噴射鋼內(nèi)部空隙中的氮?dú)狻⒉⑼ㄟ^(guò)對(duì)噴射鋼加壓以焊合噴射鋼內(nèi)部的空隙的高溫 等靜壓處理步驟，而該高溫等靜壓處理步驟，可以在現(xiàn)有的高溫等靜壓爐內(nèi)進(jìn)行。
[0023]基于如上設(shè)計(jì)思想，為了清楚的對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，本實(shí)施例中的高性能?chē)娚滗撝圃旆椒ㄕw工藝流程包括順次設(shè)置的五個(gè)步驟:獲取噴射鋼、等溫退火、高溫等靜壓處理、鍛造成型、完全退火。下面對(duì)如上五個(gè)步驟詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0024]步驟一，獲取噴射鋼。采用常規(guī)的噴射鋼生產(chǎn)工藝，將廢鋼在電弧爐或中頻爐內(nèi)冶煉，然后進(jìn)行鋼包精煉(ESH)，噴射成型，得到噴射鋼。其中鋼包精煉(ESH)過(guò)程包括扒渣、造新渣、脫氧、取樣、控制上下限內(nèi)的微量調(diào)整合金含量、調(diào)整溫度六個(gè)步驟。噴射成型的目標(biāo)鋼錠重量為3.5噸，直徑為550毫米，氣孔率小于2% ;在噴射溫度為過(guò)熱溫度500C~20(TC，噴射速度為5(T200kg/分鐘條件下完成噴射。
[0025]步驟二，等溫退火。噴射完成后，將噴射鋼錠置于沙坑上空冷。鋼錠等溫退火后入爐時(shí)，表面溫度不得低于400°C，但也不要超過(guò)500°C，表面溫度過(guò)低很容易產(chǎn)生由于溫差應(yīng)力作用所產(chǎn)生的表面裂紋；表面溫度過(guò)高鋼錠內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變尚未完成。當(dāng)表面溫度低于100°C，該鑄錠需報(bào)廢。等溫退火的溫度為750°C，均溫后保溫8小時(shí)以上，出爐埋沙緩冷。
[0026]步驟三，高溫等靜壓處理。經(jīng)等溫退火的噴射鋼錠，置于高溫等靜壓爐內(nèi)進(jìn)行高溫等靜壓處理。如圖1所示，高溫等靜壓處理是高溫高壓同時(shí)作用于鋼錠基體，其過(guò)程包括如下幾個(gè)步驟:步驟a，對(duì)噴射鋼初始升溫加壓，使噴射鋼達(dá)到預(yù)熱溫度Th和中間壓力Ph ;步驟b，將噴射鋼于預(yù)熱溫度Th和中間壓力Ph下，保持時(shí)間tl ;步驟C，對(duì)噴射鋼進(jìn)行二次升溫加壓，使溫度達(dá)到高溫等靜壓溫度Te，壓力達(dá)到高溫等靜壓壓力Pe ;步驟d，使噴射鋼于高溫等靜壓溫度Te和高溫等靜壓壓力Pe下，保持時(shí)間t2，以進(jìn)行高溫等靜壓處理；步驟e，降溫減壓。
[0027]其中，步驟a中，初始升溫加壓的加熱速度小于300°C /小時(shí)，達(dá)到預(yù)熱溫度Th(Th在650°C~850°C之間)，中間壓力Ph為1/2等靜壓壓力；步驟b中，保持時(shí)間tl為25_30mm有效厚度/I小時(shí)，該保持時(shí)間以爐溫到達(dá)預(yù)熱溫度后開(kāi)始計(jì)算；步驟c為第二次升溫加壓階段，其加熱速度小于400°C /小時(shí)，達(dá)到高溫等靜壓溫度Te和高溫等靜壓壓力Pe，其中，高溫等靜壓溫度Te在1220°C~1350°C之間，高溫等靜壓壓力Pe在IOOMPa~200MPa之間，相應(yīng)的，步驟d中的保持時(shí)間t2為4~30小時(shí)；最后降溫減壓，冷卻速度小于300°C /小時(shí)，達(dá)到鋼錠表面溫度小于150°C，爐內(nèi)壓力大于50MPa。
[0028]步驟四，鍛造成型。經(jīng)高溫等靜壓處理后的噴射鋼錠，需緩冷至始鍛溫度開(kāi)始鍛造。預(yù)熱溫度為650°C ^800°C，重復(fù)加熱溫度，比前次加熱溫度低30°C，時(shí)間以每小時(shí)30毫米有效厚度計(jì)算確定。最后火次最小鍛造比>2.5 (截面收縮20%)。
[0029]步驟五，完全退火工藝。如圖2所示，鍛造成型后的噴射鋼錠，入爐進(jìn)行完全退火處理。入爐溫度為150°C ~250°C，入爐后快速升溫，加熱速度大于100°C /小時(shí)，達(dá)到指定溫度T1(T1高于對(duì)應(yīng)鋼種溫度50°C ^lOO0C )后保溫一段時(shí)間(爐溫到達(dá)指定溫度后按25-30mm有效厚度/I小時(shí))，然后開(kāi)始降溫，降溫分成三個(gè)階段，第一階段冷卻速度為20°C /小時(shí)，溫度降至T2(T2高于對(duì)應(yīng)鋼種溫度40°C~50°C)，第二階段冷卻速度為10°C /小時(shí)，溫度降至T3 (T3低于對(duì)應(yīng)鋼種溫度50°C~80°C)，第三階段爐內(nèi)緩冷至溫度T4 (T4在500°C "600°C之間)，出爐沙坑 空冷。
【權(quán)利要求】
1.一種高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒?，其特征在?該方法在噴射成型的噴射鋼的后續(xù)處理步驟中，設(shè)有消除噴射鋼內(nèi)部空隙中的氮?dú)?、并通過(guò)對(duì)噴射鋼加壓以焊合噴射鋼內(nèi)部的空隙的高溫等靜壓處理步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒ǎ涮卣髟谟?所述的高溫等靜壓處理步驟在高溫等靜壓爐內(nèi)進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒?，其特征在?所述的后續(xù)處理步驟包括順次設(shè)置的對(duì)噴射鋼進(jìn)行等溫退火步驟、鍛造成型步驟和完全退火步驟，所述的高溫等靜壓處理步驟位于等溫退火步驟和鍛造成型步驟之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒?，其特征在于，所述的高溫等靜壓處理包括以下步驟: 步驟a，對(duì)噴射鋼初始升溫加壓，使噴射鋼達(dá)到預(yù)熱溫度Th和中間壓力Ph ； 步驟b，將噴射鋼于預(yù)熱溫度Th和中間壓力Ph下，保持時(shí)間tl; 步驟C，對(duì)噴射鋼進(jìn)行二次升溫加壓，使溫度達(dá)到高溫等靜壓溫度Te，壓力達(dá)到高溫等靜壓壓力Pe ； 步驟d，使噴射鋼于高溫等靜壓溫度Te和高溫等靜壓壓力Pe下；保持時(shí)間t2，以進(jìn)行高溫等靜壓處理； 步驟e，降溫減壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒?，其特征在?所述步驟a中的初始升溫加壓的加熱速度小于300°C /小時(shí)，預(yù)熱溫度Th為650°C至850°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒ǎ涮卣髟谟?所述步驟b中的保持時(shí)間tl為25-30_有效厚度/I小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒ǎ涮卣髟谟?步驟c中，二次升溫加壓的加熱速度小于400°C /小時(shí)，高溫等靜壓溫度Te為1220°C至1350°C，高溫等靜壓壓力 Pe 為 IOOMPa 至 200MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒ǎ涮卣髟谟?所述的中間壓力Ph為高溫等靜壓壓力Pe的一半。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒?，其特征在?所述的保持時(shí)間t2為4至30小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能?chē)娚滗摰闹圃旆椒?，其特征在?所述的步驟e中，降溫減壓時(shí)的冷卻速度小于300°C /小時(shí)，噴射鋼降溫減壓后的鋼錠表面溫度小于150°C，爐內(nèi)壓力大于50MPa。
【文檔編號(hào)】C22C33/02GK104004956SQ201410233092
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】米永旺, 馮英育, 邵青立, 鄭偉, 張占普 申請(qǐng)人:河冶科技股份有限公司