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一種高碳耐磨工模具鋼的雙掃描噴射成形制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510882410.8

申請日:

2015.12.03

公開號:

CN105478770A

公開日:

2016.04.13

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):B22F 3/115申請公布日:20160413|||實質審查的生效IPC(主分類):B22F 3/115申請日:20151203|||公開
IPC分類號: B22F3/115; B22F3/24; B21J5/00 主分類號: B22F3/115
申請人: 中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
發明人: 張勇; 張國慶; 賈崇林; 王濤; 李周
地址: 100095北京市海淀區北京81信箱
優先權:
專利代理機構: 中國航空專利中心11008 代理人: 李建英
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510882410.8

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.07.10|||2016.05.11|||2016.04.13

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明屬于先進材料加工制造領域,涉及一種高碳耐磨工模具鋼的雙掃描噴射成形制備方法。本發明充分利用雙掃描噴射成形工藝的優點,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點:(1)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量與熱量分布更均勻;(2)沉積坯形狀更規則。兩個掃描噴嘴中,一個噴嘴用于柱狀坯成形,另一個噴嘴主要用于坯體中部質量填充補縮;(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。

權利要求書

1.一種雙掃描噴射成形高碳工模具鋼的制備方法,其制備方法是:
(1)裝料,將高碳工模具鋼棒料放入雙掃描噴射成形設備的熔煉室的坩鍋內,
抽真空,真空度達到10-2Pa;
(2)真空感應熔煉,感應加熱熔煉高碳工模具鋼,熔煉溫度高于高碳工模具鋼
熔點100℃~250℃,鋼液真空精煉,保溫10~20min,使高碳工模具鋼熔體的成
分和溫度達到均勻一致,向熔煉室和霧化室充氮氣,壓力達到1.05atm;
(3)雙掃描噴射成形,當雙掃描噴射成形設備的熔煉室和霧化室充氣完成后,
把高碳工模具鋼熔體按1~3Kg/min的速度倒入已加熱的耐火材料中間包內,中間
包溫度高于高碳工模具鋼熔點100℃~200℃,在霧化室內通過雙霧化噴嘴采用
2MPa~3MPa、純度>99.9%wt的N2進行掃描,噴嘴掃描頻率為40HZ~80HZ,
把從雙霧化噴嘴導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/分鐘速度旋轉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;
(4)沉積坯鍛造成形,當沉積坯溫度低于500℃后,取出沉積坯,放入電阻爐,
把高碳工模具鋼加熱到1100℃~1150℃,保溫時間根據沉積坯尺寸以保證坯料充分
熱透為準,再保溫1~2小時,將坯體取出,使用保溫棉包覆后放到快鍛機鍛砧上進
行鍛造,鍛造前快鍛機的鍛砧預熱到400℃~500℃,一火拔長,變形量60%~70%,
坯錠溫度降低于900℃~930℃時停止鍛造,使用保溫棉覆蓋后,自然冷卻至室溫。

說明書

一種高碳耐磨工模具鋼的雙掃描噴射成形制備方法

技術領域

本發明屬于先進材料加工制造領域,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

噴射成形技術由英國Swansea大學的A.R.E.Singer提出,后來經過英國
OspreyMetalsLtd公司對其工藝和設備進行深入研究和開發后,逐步發展成了一種
金屬材料制備新技術。噴射成形制備的合金材料具有晶粒細小、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。

自上世紀八十年代開始,我國對噴射成形技術開始研究工作。噴射成形工藝的
基本原理為:熔化的金屬熔體經過惰性氣體霧化成細小熔滴后,在高速惰性氣流作
用下,沉積于特定運動方式的沉積器上,形成致密的近終形沉積坯。噴射成形工藝
過程主要由合金熔液霧化、熔滴飛行與冷卻、沉積坯生長三個連續過程構成。合金
熔體在導流管末端,被霧化氣流破碎成大量尺寸在幾微米~幾百微米之間的細小熔
滴,熔滴在高速氣流作用下加速,同時與氣流進行快速熱交換(冷卻速率高達103~
106K/S)。由于冷速不同,到達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,處于中間尺寸的熔滴則為含有一定液相的半凝固顆粒。
無數個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、熔合形成一個薄的半液態層并順序凝固結晶,逐步沉積成一個大塊致密的金屬
坯體。因此,噴射成形是把液態金屬的霧化(快速凝固)和霧化熔滴的沉積(動態
致密固化)結合在一步冶金操作中完成,不但減少工序,具有明顯的經濟效應,而
且組織均勻,提高材料性能。

經過多年的發展,噴射成形工藝由最初的單噴嘴噴射,經過單噴嘴掃描噴射成
形、雙噴嘴噴射成形,發展到先進的雙噴嘴掃描噴射成形工藝。在噴射成形過程中,
金屬熔滴的霧化是在惰性氣體保護下進行且時間很短(一般為10-3秒),因此被氧
化的程度很低。與傳統粉末冶金工藝相比,由于減少了貯藏、運輸、篩分、包套、
壓制等多道工序,顯著縮短生產周期,材料利用率高,經濟效益顯著。研究認為,
制備成同樣的材料,噴射成形工藝的成本比傳統粉末冶金工藝可降低約30%。

對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高,在常規鑄造工藝條件下的凝固過程中,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,因而長期被
排除在實用工程材料之外。工模具鋼要具備良好的超塑性性能,必須經過后續處理
使其具備合適的組織。采取的工藝措施包括熱機械處理,如熱/溫加工、多道次軋制,
離異共析轉變等,來消除工模具鋼的連續網狀碳化物,從而細化珠光體基體晶粒并
使細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、細化、
無偏析組織的工模具鋼,具有優良的室溫力學及超塑性性能,并獲得了專利[章靖
國,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用(專利
申請號:01126952.9);章靖國等,高強度超高碳鋼及其生產工藝(申請號
P02150879.8),但是,寶鋼研究院以上專利中使用的是單噴嘴噴射成形設備,結構
相對簡單,無掃描裝置,使得材料收得率較低,同時制備出的超高碳鋼沉積坯尺寸
較小,組織均勻性相對較差。

利用噴射成形的快速凝固特點可以解決傳統工藝方法制備合金中較易出現的偏
析、一次碳化物粗大、熱加工性差等問題。例如,寶鋼研究院的章靖國等提出了一
項專利技術:一種使高釩高鈷工模具鋼獲得超塑性性能的方法(申請號:
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
部的夾雜物含量較高,而且材料內部組織不十分均勻。

發明內容

本發明的目的是提出一種工模具鋼其內部的夾雜物含量少,而且材料內部組織
均勻的高碳耐磨工模具鋼的雙掃描噴射成形制備方法。

本發明的技術解決方案是,

(1)裝料,將高碳工模具鋼棒料放入雙掃描噴射成形設備的熔煉室的坩鍋內,
抽真空,真空度達到10-2Pa;

(2)真空感應熔煉,感應加熱熔煉高碳工模具鋼,熔煉溫度高于高碳工模具鋼
熔點100℃~250℃,鋼液真空精煉,保溫10~20min,使高碳工模具鋼熔體的成
分和溫度達到均勻一致,向熔煉室和霧化室充氮氣,壓力達到1.05atm;

(3)雙掃描噴射成形,當雙掃描噴射成形設備的熔煉室和霧化室充氣完成后,
把高碳工模具鋼熔體按1~3Kg/min的速度倒入已加熱的耐火材料中間包內,中間
包溫度高于高碳工模具鋼熔點100℃~200℃,在霧化室內通過雙霧化噴嘴采用2~
3MPa、純度>99.9%wt的N2的氣體進行掃描,噴嘴掃描頻率為40~80HZ,把從
雙霧化噴嘴導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/分鐘速度旋轉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;

(4)沉積坯鍛造成形,當沉積坯溫度低于500℃后,取出沉積坯,放入電阻爐,
把高碳工模具鋼加熱到1100℃~1150℃,保溫時間根據沉積坯尺寸以保證坯料充分
熱透為準,再保溫1~2小時,將坯體取出,使用保溫棉包覆后放到快鍛機鍛砧上進
行鍛造,鍛造前快鍛機的鍛砧預熱到400℃~500℃,一火拔長,變形量60%~70%,
坯錠溫度降低于900℃~930℃時停止鍛造,使用保溫棉覆蓋后,自然冷卻至室溫。

本發明的優點和效果:

本發明充分利用雙掃描噴射成形工藝的優點,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
點:(1)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量與熱量分
布更均勻;(2)沉積坯形狀更規則。兩個掃描噴嘴中,一個噴嘴用于柱狀坯成形,
另一個噴嘴主要用于坯體中部質量填充補縮;(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。

本發明解決了長期以來,高碳工模具鋼一直存在的由于脆性問題而無法大規模
應用的問題。本發明利用噴射成形技術具備快速凝固與近終形成形特點,將其應用
于高碳工模具鋼的制備可以顯著簡化工藝且獲得優異的綜合力學性能,拓寬了工業
應用前景。雙掃描噴射成形不但獲得晶粒細小且無宏觀偏析的內部組織,解決了工
模具鋼的偏析問題,而且提高了高碳耐磨工模具鋼的純凈度,延長了產品的使用壽
命。結合噴射成形純凈化熔煉工藝操作,使生產出的噴射成形工模具鋼夾雜物少,
塑性好,質量高,易鍛軋加工。與傳統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,工模具鋼的抗彎強度與極限缺陷直
徑的平方根成反比,因此消除內部大尺寸的夾雜物成為提高工模具鋼強度和質量的
根本途徑之一。如果硬度高的碳化物在相對硬度較低、韌性高的鋼基體上分布不均
勻,直接導致制成的模具壽命縮短,而雙掃描噴射成形工模具鋼內部的碳化物分布
十分均勻,因此,材料的耐磨性更好,使用壽命更長。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。

本發明的主要創新點是:(1)雙掃描噴射成形。由于工模具鋼中碳含量過高,
在常規鑄造工藝條件下的凝固過程中,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,而雙掃描噴射成形徹底解決了困擾高碳
工模具鋼生產的碳化物粗大、組織均勻性差的問題;(2)大變形量短流程鍛造。作
為一種大變形量、低應力的近終形加工工藝,對于超高碳鋼材料是一種經濟有效的
加工手段。噴射成形高碳工模具鋼組織均勻,晶粒細小,塑性高,鍛造熱加工要求
的火次少,降低成本。

具體實施方式

本發明的技術內容包括以下步驟:

(1)采用高純氮氣(N2>99.9%wt,O2<2ppm)作為熔煉保護性氣體和霧化
氣體;在真空感應熔煉爐內的工模具鋼母合金熔化前,熔煉室和霧化室的抽真空。
采用N2不但降低成本,而且氮元素可以與工模具鋼一些成分生成有益相,提高沉積
坯致密度和耐磨性;

(2)工模具鋼裝爐。將含碳量達到1.5%~2.4%wt的工模具鋼母合金料放入熔
煉室坩鍋內,并在合金料熔化前,采用機械泵、羅茨泵和擴散泵對熔煉室和霧化室
抽真空,真空度低于10-3Pa,關閉各真空閥,向兩室內充入高純氮氣,當壓力接近
1atm后,抽真空,真空度低于10-2Pa,重復操作至少1次;

(3)真空感應熔煉。采用中頻電感應加熱,工模具鋼熔化后合金熔體溫度高于
合金熔點100~250℃。鋼液真空精煉,保溫10~20min,使感應爐內工模具鋼熔
體的成分和溫度達到均勻一致,熔煉室和霧化室充氮氣,壓力達到1.05atm;

(4)雙掃描噴射成形。熔煉室和霧化室充氮氣完成后,把工模具鋼熔體按1~
3Kg/min的速度倒入已加熱的耐火材料中間包內,中間包溫度高于工模具鋼熔點
100~200℃。在霧化室內通過雙霧化噴嘴采用2~3MPa的N2(純度>99.9%wt),
噴嘴掃描頻率為40~80HZ,把從導流管流出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/分鐘速度旋轉的沉積器上形成柱狀沉積坯。噴射成
形完成后,工模具鋼沉積坯隨爐冷卻;

(5)真空退火冷卻。把霧化室和熔煉室抽真空,使高溫沉積坯處于真空狀態,
真空度低于10-2Pa,直至坯體溫度低于500℃后破真空;

(6)沉積坯鍛造成形。當沉積坯溫度低于500℃后,取出高碳工模具鋼沉積坯,
放入電阻爐,加熱到1100℃~1150℃,保溫1~2小時(根據沉積坯尺寸不同可適
當調整),保證坯料充分熱透。將坯體取出,使用保溫棉包覆后放到快鍛機鍛砧上進
行鍛造,一火拔長,變形量60%~70%。其中,鍛造前快鍛機的鍛砧預熱到400℃~
500℃,坯錠溫度降低于900℃~930℃時,停止鍛造。

實施例

采用的工模具鋼母合金料成分為(wt%):C2.4;V10.68;Cr5.36;Mo1.4;
Si0.82;Mn0.2;余Fe。放入合金棒材的重量由坩堝容量大小決定。

噴射成形制備高碳脆性工模具鋼的主要操作過程是:在真空感應熔煉爐內的工
模具鋼母合金熔化前,熔煉室和霧化室的抽真空。采用高純氮氣(N2>99.9%wt,
O2<2ppm)作為熔煉保護性氣體和霧化氣體;將含碳量達到1.5%~2.4%wt的工
模具鋼母合金料放入熔煉室坩鍋內,并在合金料熔化前,采用機械泵、羅茨泵和擴
散泵對熔煉室和霧化室抽真空,真空度低于10-3Pa,關閉各真空閥,向兩室內充入
高純氮氣,當壓力接近1atm后,抽真空,真空度低于10-2Pa,重復操作2次;送
電感應加熱,工模具鋼熔化后,合金熔體溫度高于合金熔點150℃。鋼液真空精煉,
保溫20min,使感應爐內工模具鋼熔體的成分和溫度達到均勻一致,熔煉室和霧化
室充氮氣,壓力達到1.05atm;熔煉室和霧化室充氮氣完成后,把工模具鋼熔體按
3Kg/min的速度倒入已加熱的耐火材料中間包內,中間包溫度高于工模具鋼熔點
150℃。在霧化室內通過雙霧化噴嘴采用3MPa的N2(純度>99.9%wt)進行霧化,
噴嘴掃描頻率70HZ,熔滴沉積在以80轉/分鐘速度旋轉的沉積器上形成柱狀沉積
坯。噴射成形完成后,工模具鋼沉積坯隨爐冷卻;把霧化室和熔煉室抽真空,使高
溫沉積坯處于真空狀態,真空度低于10-2Pa,直至坯體溫度460℃后破真空,取出
高碳工模具鋼沉積坯,放入電阻爐加熱到1120℃,保溫2小時,保證坯料充分熱透。
將坯體取出,使用保溫棉包覆后放到快鍛機鍛砧上進行鍛造,一火拔長,變形量
70%。其中鍛造前快鍛機的鍛砧預熱到400℃,坯錠溫度降到900℃時停鍛,覆蓋
保溫棉緩慢冷卻。

關 鍵 詞:
一種 耐磨 工模 掃描 噴射 成形 制備 方法
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