專利名稱：適用于單晶金剛石切削的超細晶鋼及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超精密切削加工的新技術，涉及一種結合表面改性技術的尤其適用于單晶金剛石切削的超細晶鋼及其制備方法。
背景技術：
由于單晶金剛石切削可在加工后獲得極佳的表面粗糙度，實現(xiàn)納米級表面，它已成為制作高精度光學器件和高精度模具的重要加工方法。鋼鐵材料作為用途最廣的工程材料，以其成本低廉，功能多樣化而備受超精密加工領域的重視。然而，由于用單晶金剛石刀具切削鋼鐵材料時會產(chǎn)生巨大的刀具化學磨損，所以傳統(tǒng)意義上認為金剛石不能切削黑色金屬。若將單晶金剛石切削應用于鋼材的超精密加工，各類高精度元器件的應用將更加廣泛，具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。因此，我們課題組前期開發(fā)了一種高氮模具鋼并申請了專利，即“一種適用于單晶金剛石車削的高氮模具鋼及其制備方法”(申請?zhí)?200910068140. 1)。試制后的模具鋼在滲氮后對刀具的磨損抑制效果比較好，但存在如下不足(1)獲得的模具鋼晶粒尺寸較大，強度和韌性較低；(2)模具鋼制備過程中采用高氮電極致使氮含量偏高，這樣在滲氮時就相對降低了氮勢，導致滲氮時間加長引起工件較大變形，且獲得的化合物層厚度較小。隨后單晶金剛石車削時將會切削到基體材料，從而產(chǎn)生較大的刀具磨損，繼而降低工件表面質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上不足，創(chuàng)新性地提出了一種以納米級粉體顆粒為形核劑的超細晶鋼及其制備方法，外加納米級粉體顆粒的作用主要表現(xiàn)在細化晶粒，其晶粒尺寸可達到 1 μ m以下，一方面，大幅度增加晶界體積分數(shù)，為氮原子的擴散提供大量通道，可以明顯提高滲氮速度，在相同的滲氮條件下，大幅度減小滲氮時間即降低氮勢門檻值，從而獲得單晶金剛石可切削的化合物層厚度明顯增大且均勻；另一方面，可顯著提高抗拉強度、屈服強度、延伸率和沖擊韌度等綜合力學性能。本發(fā)明以納米級粉體顆為形核劑的超細晶鋼，其化學成份及重量百分含量如下碳0.21-0.3，鎳5.1-5. 3，銅1.1-1. 2，硅0· 5-0. 6，鋁3· 1-4. 0，鉻 0.15-0.2，鉬0.4-0. 5，猛1.2-1. 5，釩0.08-0. 1，鈦0· 4-0. 5，鈮0· 05-0· 09，硼 0. 0008-0. 0015，鎂0. 006-0. 007，鐵余量。制備方法是最先加入低碳鋼850 950公斤，金屬鎳65 75公斤，金屬銅9 15公斤，鈮鐵合金1. 1 1. 4公斤，鉬鐵合金6 8公斤熔化后，加入鉻鐵合金3 4. 2公斤，硅鐵合金8. 5 10公斤，釩鐵合金11 14公斤，低碳錳鐵合金18 22公斤，鈦鐵合金9 12公斤，待熔融后加入硼鐵合金0. 2 0. 5公斤，金屬鋁95 115公斤，最后將金屬鎂0. 3 0. 5公斤以包芯線的方式射入增壓電渣重熔爐內(nèi)，以氮氣作為保護氣，在重熔熔煉過程中連續(xù)均勻地往渣池加入納米級粉體形核劑，獲得晶粒尺寸小于1 μ m的超細晶鋼。在重熔熔煉過程中連續(xù)均勻地往渣池加入體積分數(shù)為1. 納米級粉體形核劑，獲得晶粒尺寸小于Ιμπι的超細晶鋼。所述的納米級粉體為&C、ZrO2, TiC、TiO、TiN、NbN, ZrN或NbC納米級粉體顆粒。 所述熔煉方法為增壓電渣重熔法。獲得的超細晶鋼進行粗加工接近工件設計尺寸，然后再半精加工、精加工使工件達到較小的形貌誤差；對精加工工件的待加工表面進行表面改性處理，獲得適合單晶金剛石切削的化合物層。所采用的表面改性為化學熱處理且不局限于一種，采用低溫氣體滲氮或低溫離子滲氮，以減小工件變形，同時，超細晶為滲氮時氮原子的擴散提供大量通道，明顯提高滲氮速度，在相同的滲氮條件下，大幅度減小滲氮時間即降低氮勢門檻值，從而獲得單晶金剛石可切削的化合物層厚度明顯增大且均勻；低溫滲氮獲得的化合物層主要成分為 ^2_3Ν和 Fe4N ；切削深度要小于化合物層厚度。本發(fā)明高度的含量的測定范圍，是本發(fā)明經(jīng)過無數(shù)次實驗和研究所得的技術方案，其中鎂可以降低合金中硫、磷等有害雜質(zhì)的影響，以及在熔煉過程中良好的脫氧去氣作用，對冶金質(zhì)量產(chǎn)生有利影響，還可以分割和改變合金中晶界碳化物的析出形態(tài)，使晶內(nèi)組織得到細化，從而使晶內(nèi)晶界組織得到良好匹配，使持久塑性和壽命獲得明顯改善。但是，鎂加入量不足，將不能使鋼進行充分的脫氧、脫硫反應，不利于夾雜物的去除；鎂加入超過脫氧、脫硫和微合金化所需的量不僅是浪費，而且由于反應過于劇烈，將使上浮到鋼液表面和渣中的MgO、MgS等夾雜物又卷入鋼液中。此外，加入過量的鎂可導致鋼液在凝固過程中形成富MgS的MgS · MgO復合夾雜，它不僅易于成核，而且易于集聚長大。因此鎂 0. 006-0. 007。主要夾雜磷^0. 003，硫^ 0. 002。其制備方法是將原料按重量比，按下列順序依次加入增壓電渣重熔爐內(nèi)最先加入低碳鋼、金屬鎳、金屬銅、鈮鐵合金、鉬鐵合金，熔化后加入鉻鐵合金、硅鐵合金、釩鐵合金、低碳錳鐵合金和鈦鐵合金，待熔融后加入硼鐵合金和金屬鋁，最后將金屬鎂以包芯線的方式射入增壓電渣重熔爐內(nèi)，以氮氣作為保護氣，在重熔過程中連續(xù)均勻地往渣池加入納米級粉體顆粒形核劑，最終獲得高度均勻化、高強度的超細晶鋼。然后再對超細晶鋼進行粗加工接近工件設計尺寸，接著再半精加工、精加工使工件達到較小的形貌誤差并對待加工表面進行滲氮處理，獲得適合單晶金剛石切削的化合物層。本發(fā)明的優(yōu)點1、工藝操作精確簡單，對環(huán)境無污染。2、屬于低磷、低硫高潔凈度、高性能的特種鋼材。3、應用范圍廣，可用于各種模具的制造，尤其適用于單晶金剛石切削加工。4、相比現(xiàn)在普遍使用的進口模具鋼具備更好的機械力學性能，且生產(chǎn)成本低廉。5、進一步降低金剛石刀具的磨損，延長刀具壽命，并提高工件的表面質(zhì)量。
具體實施例方式實施例1 將各原料按重量低碳鋼900公斤，金屬鎳70公斤，金屬銅15公斤，鈮鐵合金1. 4公斤，鉬鐵合金8公斤，鉻鐵合金4公斤，硅鐵合金9公斤，釩鐵合金12. 5公斤，低碳錳鐵合金22公斤，鈦鐵合金10公斤，硼鐵合金0. 3公斤，金屬鋁112公斤，將純度為98%的金屬鎂包芯線0. 4公斤配料，并按上述順序依次加入增壓電渣重熔爐內(nèi)。將平均粒度小于30nm的純度大于99 %的ZrC粉體壓制成長2mm寬2mm高Imm的小塊，以氮氣作為保護氣，在重熔過程中連續(xù)均勻地往渣池加入粉體小塊共11公斤，最終獲得高度均勻化、高強度的超細晶鋼。其化學成分(Wt% )碳0.26，鎳5. 25，銅1. 2，硅0. 58，鋁3. 95，鉻0. 19，鉬0. 5，錳1. 5，釩 0. 09，鈦0. 46，鈮0. 09，硼0. 0013。鎂0. 0065，鐵85. 9194。主要夾雜磷0·0017，硫0· 0011。將此超細晶鋼料在普通車床上用硬質(zhì)合金刀具粗車成高15mm直徑為20mm的圓柱形工件；再精車其端平面達到Ra Iym;在磨床上將端平面磨削達到Ra IOOnm ；然后進行500°C X9h低溫離子滲氮，獲得平均厚度為Mym的化合物層；在超精密車床上，采用單晶金剛石刀具刀尖半徑0. 5mm，刀前角0°，刀后角15°，主軸轉速1500rpm，進給速率3mm/ min,切削深度3 μ m車削化合物層，獲得Ra 6. 03nm的鏡面級表面質(zhì)量，刀具無明顯磨損。實施例2 將各原料按重量低碳鋼850公斤，金屬鎳75公斤，金屬銅10公斤，鈮鐵合金1. 1 公斤，鉬鐵合金6公斤，鉻鐵合金4. 2公斤，硅鐵合金8. 5公斤，釩鐵合金11公斤，低碳錳鐵合金18公斤，鈦鐵合金12公斤，硼鐵合金0. 2公斤，金屬鋁95公斤，將純度為98%的金屬鎂包芯線0. 3公斤配料，并按上述順序依次加入增壓電渣重熔爐內(nèi)。 將平均粒度小于30nm的純度大于99 %的^O2粉體壓制成長2mm寬2mm高2mm的小塊，以氮氣作為保護氣，在重熔過程中連續(xù)均勻地往渣池加入粉體小塊共11公斤，最終獲得高度均勻化、高強度的超細晶鋼。其化學成分(Wt% )碳0.21，鎳5. 3，銅1. 12，硅0. 5，鋁3. 1，鉻0. 2，鉬0. 4，錳1. 2，釩0. 08， 鈦0. 5，鈮0. 05，硼0. 0008，鎂0. 006，鐵87. 3304。主要夾雜磷0.0015，硫0. 0013。將此超細晶鋼料在普通車床上用硬質(zhì)合金刀具粗車成高15mm直徑為20mm的圓柱形工件；再精車其端平面達到Ra Iym;在磨床上將端平面磨削達到Ra IOOnm ；然后進行 4500C X 12h低溫氣體滲氮，獲得平均厚度為21 μ m的化合物層；在超精密車床上，采用單晶金剛石刀具刀尖半徑0. 5mm，刀前角0°，刀后角15°，主軸轉速1500rpm，進給速率3mm/ min,切削深度3 μ m車削化合物層，獲得Ra小于6. 78nm的鏡面級表面質(zhì)量，刀具無明顯磨損。實施例3 將各原料按重量低碳鋼950公斤，金屬鎳65公斤，金屬銅9公斤，鈮鐵合金1. 3 公斤，鉬鐵合金7公斤，鉻鐵合金3公斤，硅鐵合金10公斤，釩鐵合金14公斤，低碳錳鐵合金20公斤，鈦鐵合金9公斤，硼鐵合金0. 5公斤，金屬鋁115公斤，將純度為98%的金屬鎂包芯線0. 5公斤配料，并按上述順序依次加入增壓電渣重熔爐內(nèi)。將平均粒度小于30nm的純度大于99%的TiC粉體壓制成長2mm寬Imm高Imm的小塊，以氮氣作為保護氣，在重熔過程中連續(xù)均勻地往渣池加入粉體小塊共11公斤，最終獲得高度均勻化、高強度的超細晶鋼。其化學成分(Wt% )碳0.3，鎳5. 1，銅1. 1，硅0. 6，鋁4. 0，鉻0. 15，鉬0. 46，錳1. 3，釩0. 1， 鈦0. 4，鈮0. 08，硼0. 0015，鎂0. 007，鐵86. 3981。主要夾雜磷0·002，硫0· 0014。將此超細晶鋼料在普通車床上用硬質(zhì)合金刀具粗車成高15mm直徑為20mm的圓柱形工件；再精車其端平面達到Ra Iym;在磨床上將端平面磨削達到Ra IOOnm ；然后進行 4500C X 15h低溫離子滲氮，獲得平均厚度為23 μ m的化合物層；在超精密車床上，采用單晶金剛石刀具刀尖半徑0. 5mm，刀前角0°，刀后角15°，主軸轉速1500rpm，進給速率3mm/ min,切削深度3 μ m車削化合物層，獲得Ra 5. 72nm的鏡面級表面質(zhì)量，刀具無明顯磨損。其中鈮鐵合金(含鈮約66% )和鉬鐵合金(含鉬約65% )，鉻鐵合金(含鉻約 60% )、硅鐵合金(含硅約75% )、釩鐵合金(含釩約10% )、低碳錳鐵合金(含錳約85% ) 和鈦鐵合金(含鈦約75% )，硼鐵合金(含硼約10% )，金屬鎂包芯線(純度為98% )。純凈低碳鋼、金屬鎳、金屬銅、鈮鐵合金、鉬鐵合金，熔化后加入不易發(fā)生氧化的純凈鉻鐵合金、硅鐵合金、釩鐵合金、低碳錳鐵合金和鈦鐵合金，待熔融后加入純凈硼鐵合金和金屬鋁，參考文獻1中，ZrC粒子尺寸分布為0. 2 1. 2 μ m時，鋼晶粒尺寸被細化到1 2 μ m,本發(fā)明使用的形核劑為平均粒度小于30nm的純度大于99%的ZrC粉體顆粒，尺寸僅為參考文獻1中ZrC粒子的七分之一到四十分之一，因此鋼晶粒尺寸必小于1 μ m。參考文獻2第7頁指出，“對現(xiàn)在大量生產(chǎn)的碳素結構鋼，只要把晶粒細化到小于 5 μ m,其強度就可有200MPa提高到400MPa以上。對低合金鋼晶粒度細化至2 μ m左右，強度可提高到SOOMPa以上”。第8頁指出，“超細晶化目標與兩個因素有關第一，只要達到 5 μ m左右的晶粒尺寸就能滿足“強度翻番”要求”。參考文獻3在平均粒徑為1. 3 μ m的ZrC顆粒條件下晶粒尺寸被細化到5. 5 μ m， 獲得了“抗拉強度、屈服強度、伸長率、沖擊韌性和維氏硬度分別達到635MPa、517. 5MPa、 20. 66%,215. OJ/cm2和214Hv5，獲得了最佳綜合力學性能”。參考文獻2第9頁指出，“在晶粒尺寸細化達亞微米或甚至更加超細化后，晶界面積增大”。這將為氮原子的擴散提供大量通道，從而提高滲氮速度、大幅度減小滲氮時間，進而獲得單晶金剛石可切削的化合物層厚度將明顯增大且均勻。本發(fā)明提出的適用于單晶金剛石切削的超細晶鋼及其制備方法，已通過實例進行了描述，相關技術人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對本文所述的制作方法進行改動或適當變更與組合，來實現(xiàn)本發(fā)明技術。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本領域技術人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
權利要求
1.一種適用于單晶金剛石切削的超細晶鋼，其特征是化學成份及重量百分含量為 碳0. 21-0. 3，鎳5. 1-5. 3，銅1. 1-1. 2，硅0. 5-0. 6，鋁3. 1-4. 0，鉻0. 15-0. 2，鉬 0. 4-0. 5，猛1. 2-1. 5，釩0· 08-0. 1，鈦0. 4-0. 5，鈮0· 05-0. 09，硼0· 0008-0. 0015，鎂0.006-0. 007，鐵余量。
2.采用權利要求1的化學成份制備適用于單晶金剛石切削的超細晶鋼的方法，其特征在于，最先加入低碳鋼850 950公斤，金屬鎳65 75公斤，金屬銅9 15公斤，鈮鐵合金1.1 1. 4公斤，鉬鐵合金6 8公斤熔化后，加入鉻鐵合金3 4. 2公斤，硅鐵合金8. 5 10公斤，釩鐵合金11 14公斤，低碳錳鐵合金18 22公斤，鈦鐵合金9 12公斤，待熔融后加入硼鐵合金0. 2 0. 5公斤，金屬鋁95 115公斤，最后將金屬鎂0. 3 0. 5公斤以包芯線的方式射入增壓電渣重熔爐內(nèi)，以氮氣作為保護氣，在重熔熔煉過程中連續(xù)均勻地往渣池加入納米級粉體形核劑，獲得晶粒尺寸小于1 μ m的超細晶鋼。
3.如權利要求2所述的方法，其特征是所述的納米級粉體為&C、ZrO2,TiC、TiO、TiN、 NbN、ZrN或NbC納米級粉體顆粒。
4.如權利要求2所述的方法，其特征是所述的熔煉方法為增壓電渣重熔法。
5.如權利要求2所述的方法，其特征是獲得的超細晶鋼進行粗加工接近工件設計尺寸，然后再半精加工、精加工使工件達到較小的形貌誤差；對精加工工件的待加工表面進行表面改性處理，獲得適合單晶金剛石切削的化合物層。
6.如權利要求5所述的方法，其特征是所采用的表面改性為化學熱處理且不局限于一種，采用低溫氣體滲氮或低溫離子滲氮，以減小工件變形，同時，超細晶為滲氮時氮原子的擴散提供大量通道，明顯提高滲氮速度，在相同的滲氮條件下，大幅度減小滲氮時間即降低氮勢門檻值，從而獲得單晶金剛石可切削的化合物層厚度明顯增大且均勻；低溫滲氮獲得的化合物層主要成分為 ^2_3Ν和!^e4N ；切削深度要小于化合物層厚度。
全文摘要
本發(fā)明涉及適用于單晶金剛石切削的超細晶鋼及其制備方法。超細晶鋼化學成份及重量百分含量為碳0.21-0.3，鎳5.1-5.3，銅1.1-1.2，硅0.5-0.6，鋁3.1-4.0，鉻0.15-0.2，鉬0.4-0.5，錳1.2-1.5，釩0.08-0.1，鈦0.4-0.5，鈮0.05-0.09，硼0.0008-0.0015，鎂0.006-0.007，鐵余量。加入純凈低碳鋼、金屬鎳、金屬銅、鈮鐵合金、鉬鐵合金，熔化后加入純凈鉻鐵合金、硅鐵合金、釩鐵合金、低碳錳鐵合金和鈦鐵合金，加入純凈硼鐵合金和金屬鋁，將金屬鎂以包芯線的方式射入增壓電渣重熔爐內(nèi)，以氮氣作為保護氣，在重熔熔煉過程中連續(xù)均勻地往渣池加入納米級粉體形核劑，獲得晶粒尺寸小于1μm的超細晶鋼。本發(fā)明工藝操作精確簡單，對環(huán)境無污染?？捎糜诟鞣N模具的制造，尤其適用于單晶金剛石切削加工。
文檔編號C22B9/18GK102337479SQ201110322389
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權日2011年10月21日
發(fā)明者宮虎, 張效棟, 房豐洲, 李占杰 申請人:天津大學