一種高碳耐磨工模具鋼的雙掃描噴射成形制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于先進(jìn)材料加工制造領(lǐng)域，涉及一種高碳耐磨工模具鋼的雙掃描噴射成形制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]噴射成形技術(shù)由英國(guó)Swansea大學(xué)的A.R.E.Singer提出，后來(lái)經(jīng)過(guò)英國(guó)OspreyMetals Ltd公司對(duì)其工藝和設(shè)備進(jìn)行深入研究和開(kāi)發(fā)后，逐步發(fā)展成了一種金屬材料制備新技術(shù)。噴射成形制備的合金材料具有晶粒細(xì)小、組織均勻、能夠抑制宏觀偏析等快速凝固粉末冶金材料的組織特點(diǎn)。
[0003]自上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，我國(guó)對(duì)噴射成形技術(shù)開(kāi)始研究工作。噴射成形工藝的基本原理為:熔化的金屬熔體經(jīng)過(guò)惰性氣體霧化成細(xì)小熔滴后，在高速惰性氣流作用下，沉積于特定運(yùn)動(dòng)方式的沉積器上，形成致密的近終形沉積坯。噴射成形工藝過(guò)程主要由合金熔液霧化、熔滴飛行與冷卻、沉積坯生長(zhǎng)三個(gè)連續(xù)過(guò)程構(gòu)成。合金熔體在導(dǎo)流管末端，被霧化氣流破碎成大量尺寸在幾微米?幾百微米之間的細(xì)小熔滴，熔滴在高速氣流作用下加速，同時(shí)與氣流進(jìn)行快速熱交換(冷卻速率高達(dá)13?106K/S)。由于冷速不同，到達(dá)沉積坯前小于某一臨界尺寸的熔滴冷凝成固體顆粒，較大尺寸的可能仍為液態(tài)，處于中間尺寸的熔滴則為含有一定液相的半凝固顆粒。無(wú)數(shù)個(gè)凝固程度不同的熔滴，高速撞擊沉積器表面，在沉積器表面附著、堆積、鋪展、熔合形成一個(gè)薄的半液態(tài)層并順序凝固結(jié)晶，逐步沉積成一個(gè)大塊致密的金屬坯體。因此，噴射成形是把液態(tài)金屬的霧化(快速凝固)和霧化熔滴的沉積(動(dòng)態(tài)致密固化)結(jié)合在一步冶金操作中完成，不但減少工序，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，而且組織均勾，提尚材料性能。
[0004]經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，噴射成形工藝由最初的單噴嘴噴射，經(jīng)過(guò)單噴嘴掃描噴射成形、雙噴嘴噴射成形，發(fā)展到先進(jìn)的雙噴嘴掃描噴射成形工藝。在噴射成形過(guò)程中，金屬熔滴的霧化是在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行且時(shí)間很短(一般為10—3秒)，因此被氧化的程度很低。與傳統(tǒng)粉末冶金工藝相比，由于減少了貯藏、運(yùn)輸、篩分、包套、壓制等多道工序，顯著縮短生產(chǎn)周期，材料利用率高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。研究認(rèn)為，制備成同樣的材料，噴射成形工藝的成本比傳統(tǒng)粉末冶金工藝可降低約30%。
[0005]對(duì)于高碳脆性耐磨工模具鋼材料，噴射成形是十分合適的制備工藝。目前，由于工模具鋼中碳含量過(guò)高，在常規(guī)鑄造工藝條件下的凝固過(guò)程中，很難避免碳的偏析以及粗大碳化物的形成，造成工模具鋼材料性能惡化，使用壽命短，因而長(zhǎng)期被排除在實(shí)用工程材料之外。工模具鋼要具備良好的超塑性性能，必須經(jīng)過(guò)后續(xù)處理使其具備合適的組織。采取的工藝措施包括熱機(jī)械處理，如熱/溫加工、多道次乳制，離異共析轉(zhuǎn)變等，來(lái)消除工模具鋼的連續(xù)網(wǎng)狀碳化物，從而細(xì)化珠光體基體晶粒并使細(xì)小球狀碳化物彌散分布。寶鋼研究院采用噴射成形工藝制備了具有均勻、細(xì)化、無(wú)偏析組織的工模具鋼，具有優(yōu)良的室溫力學(xué)及超塑性性能，并獲得了專(zhuān)利[章靖國(guó)，史海生，姚錦聲等，一種具有超塑性的超高碳鋼基材獲得方法及其應(yīng)用(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01126952.9);章靖國(guó)等，高強(qiáng)度超高碳鋼及其生產(chǎn)工藝(申請(qǐng)?zhí)朠02150879.8)，但是，寶鋼研究院以上專(zhuān)利中使用的是單噴嘴噴射成形設(shè)備，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)掃描裝置，使得材料收得率較低，同時(shí)制備出的超高碳鋼沉積坯尺寸較小，組織均勻性相對(duì)較差。
[0006]利用噴射成形的快速凝固特點(diǎn)可以解決傳統(tǒng)工藝方法制備合金中較易出現(xiàn)的偏析、一次碳化物粗大、熱加工性差等問(wèn)題。例如，寶鋼研究院的章靖國(guó)等提出了一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù):一種使高釩高鈷工模具鋼獲得超塑性性能的方法(申請(qǐng)?zhí)?200410024855.4)。但是，他們噴射成形制備添加昂貴金屬的高釩高鈷工模具鋼內(nèi)部的夾雜物含量較高，而且材料內(nèi)部組織不十分均勻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提出一種工模具鋼其內(nèi)部的夾雜物含量少，而且材料內(nèi)部組織均勻的高碳耐磨工模具鋼的雙掃描噴射成形制備方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，
[0009](I)裝料，將高碳工模具鋼棒料放入雙掃描噴射成形設(shè)備的熔煉室的坩鍋內(nèi)，抽真空，真空度達(dá)到l(T2Pa;
[0010](2)真空感應(yīng)熔煉，感應(yīng)加熱熔煉高碳工模具鋼，熔煉溫度高于高碳工模具鋼熔點(diǎn)100°C?250°C，鋼液真空精煉，保溫10?20min，使高碳工模具鋼熔體的成分和溫度達(dá)到均勻一致，向熔煉室和霧化室充氮?dú)猓瑝毫_(dá)到1.05atm;
[0011](3)雙掃描噴射成形，當(dāng)雙掃描噴射成形設(shè)備的熔煉室和霧化室充氣完成后，把高碳工模具鋼熔體按I?3Kg/min的速度倒入已加熱的耐火材料中間包內(nèi)，中間包溫度高于高碳工模具鋼熔點(diǎn)100°C?200°C，在霧化室內(nèi)通過(guò)雙霧化噴嘴采用2?3MPa、純度>99.9%wt的犯的氣體進(jìn)行掃描，噴嘴掃描頻率為40?80HZ，把從雙霧化噴嘴導(dǎo)流管流出的高碳工模具鋼的合金熔體掃描霧化成熔滴，高碳工模具鋼熔滴沉積在以50?90轉(zhuǎn)/分鐘速度旋轉(zhuǎn)的沉積器上形成柱狀沉積坯，噴射成形完成后，高碳工模具鋼沉積坯隨爐冷卻；
[0012](4)沉積坯鍛造成形，當(dāng)沉積坯溫度低于500°C后，取出沉積坯，放入電阻爐，把高碳工模具鋼加熱到1100°c?1150°C，保溫時(shí)間根據(jù)沉積坯尺寸以保證坯料充分熱透為準(zhǔn)，再保溫I?2小時(shí)，將坯體取出，使用保溫棉包覆后放到快鍛機(jī)鍛砧上進(jìn)行鍛造，鍛造前快鍛機(jī)的鍛砧預(yù)熱到400°C?500°C，一火拔長(zhǎng)，變形量60%?70%，坯錠溫度降低于900°C?930°C時(shí)停止鍛造，使用保溫棉覆蓋后，自然冷卻至室溫。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果:
[0014]本發(fā)明充分利用雙掃描噴射成形工藝的優(yōu)點(diǎn)，提出了高碳耐磨工模具鋼的一種雙掃描噴射成形制備工藝。與單噴嘴噴射成形工藝相比，雙掃描噴射成形有以下優(yōu)點(diǎn):(I)材料組織更均勻，性能更高。雙噴嘴噴射的合金霧化熔滴流質(zhì)量與熱量分布更均勻；(2)沉積坯形狀更規(guī)則。兩個(gè)掃描噴嘴中，一個(gè)噴嘴用于柱狀坯成形，另一個(gè)噴嘴主要用于坯體中部質(zhì)量填充補(bǔ)縮；(3)成本更低。由于雙掃描噴射成形的材料收得率更高，因此，與單噴嘴噴射成形相比成本更低。
[0015]本發(fā)明解決了長(zhǎng)期以來(lái)，高碳工模具鋼一直存在的由于脆性問(wèn)題而無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用的問(wèn)題。本發(fā)明利用噴射成形技術(shù)具備快速凝固與近終形成形特點(diǎn)，將其應(yīng)用于高碳工模具鋼的制備可以顯著簡(jiǎn)化工藝且獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，拓寬了工業(yè)應(yīng)用前景。雙掃描噴射成形不但獲得晶粒細(xì)小且無(wú)宏觀偏析的內(nèi)部組織，解決了工模具鋼的偏析問(wèn)題，而且提高了高碳耐磨工模具鋼的純凈度，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命。結(jié)合噴射成形純凈化熔煉工藝操作，使生產(chǎn)出的噴射成形工模具鋼夾雜物少，塑性好，質(zhì)量高，易鍛乳加工。與傳統(tǒng)粉末冶金工模具鋼相比，由于制備工序更少，噴射成形工模具鋼的成本明顯降低。研究表明，工模具鋼的抗彎強(qiáng)度與極限缺陷直徑的平方根成反比，因此消除內(nèi)部大尺寸的夾雜物成為提高工模具鋼強(qiáng)度和質(zhì)量的根本途徑之一。如果硬度高的碳化物在相對(duì)硬度較低、韌性高的鋼基體上分布不均勻，直接導(dǎo)致制成的模具壽命縮短，而雙掃描噴射成形工模具鋼內(nèi)部的碳化物分布十分均勻，因此，材料的耐磨性更好，使用壽命更長(zhǎng)。此外，由于組織和成分更均勻，噴射成形工模具鋼的塑性和韌性得到顯著提高，鍛造熱加工過(guò)程中，可以把每道次的變形量提高到70%，減少了熱加工道次，降低成本。
[0016]本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)