噴射成形工具鋼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種工具鋼，尤其涉及一種噴射成形工具鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 工具鋼應(yīng)同時(shí)具備包括耐磨性能、沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度以及硬度等四個(gè)方面的優(yōu) 異性能。正常使用條件下，耐磨性能決定了使用壽命的長短，工具鋼的耐磨性能取決于基體 硬度以及鋼中存在的硬質(zhì)第二相的含量、形態(tài)以及粒度分布。鋼中的硬質(zhì)第二相包括M 6C、 M2C、M23C6、M7C3以及MC等，MC碳化物的顯微硬度高于其它碳化物，作業(yè)過程中能夠更好地保 護(hù)基體，從而減少磨損的發(fā)生，提高工模具的使用壽命。工具鋼的沖擊韌性是反映韌性的重 要指標(biāo)，鋼中粗大碳化物的存在引起應(yīng)力集中，使工具鋼韌性降低，導(dǎo)致在較低的外力加載 下發(fā)生斷裂，為了提高工具鋼韌性，減少碳化物含量或細(xì)化碳化物粒度是重要的手段。工具 鋼使用過程中為了避免塑性變形的發(fā)生，工具鋼通常要求硬度達(dá)到HRC60以上。
[0003] 目前工具鋼主要采用傳統(tǒng)的鑄鍛工藝制備，采用鑄鍛工藝制備工具鋼受到工藝過 程鋼液緩慢冷卻凝固特點(diǎn)的限制，合金成分在凝固過程中容易發(fā)生偏析，形成粗大的碳化 物組織，即使經(jīng)過后續(xù)鍛軋?zhí)幚?，這種不良組織仍然會對合金性能帶來不良影響，導(dǎo)致鑄鍛 工具鋼性能上包括強(qiáng)度、韌性、耐磨性能、可磨削性能等處于偏低水平，難以滿足高端加工 制造對材料使用性能及壽命穩(wěn)定性的要求。采用粉末冶金工藝制備工具鋼解決了合金元素 偏析的問題，制備得到合金組織細(xì)小均勻，相比鑄鍛合金性能有大幅度提升，但是存在的問 題是粉末冶金工藝復(fù)雜、流程長，帶來成本的提高，限制了粉末冶金工具鋼的廣泛使用。在 此種背景下，近年來采用噴射成形工藝制備工具鋼得到發(fā)展，噴射成形的工藝原理是在惰 性氣體如氮?dú)?、氬氣等保護(hù)氣氛下，采用高壓氣體將熔融金屬破碎成細(xì)小的金屬熔滴，霧化 熔滴在飛行過程中冷卻到半凝固狀態(tài)，隨后撞擊沉積接收器表面，發(fā)生沉積，逐步長大成大 塊金屬沉積坯，后續(xù)可對沉積坯進(jìn)行鍛軋加工獲得所需形狀材料。采用噴射成形工藝制備 工具鋼已有報(bào)道，但由于其原料成分的配比不夠合理，生成的工具鋼其碳化物組織不夠理 想，其性能不夠優(yōu)異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種具有優(yōu)異性能的噴射成形工具 鋼。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的噴射成形工具鋼其化學(xué)組分按質(zhì)量百分比計(jì)包括：C : 1. 5%-2· 5%，W :0· 1%-0· 5%，Mo :彡 3. 0%，Cr :4· 2%-5· 9%，V :5· 0%-10· 2%，Nb :1· 25%-2· 1%，Co : 0. 05%-0. 5%，Si I. 0%，Mn :0. 2%-l. 0%，N :0. 05%-0. 3%，余量為鐵和雜質(zhì)；所述噴射成形工 具鋼的碳化物為MC碳化物，MC碳化物的類型為（V、Nb) (C、N)。
[0006] 本發(fā)明通過合金成分的設(shè)計(jì)，促進(jìn)工具鋼中MC碳化物在噴射成形工藝下的形核 與細(xì)化，從而提高工具鋼的耐磨性能和韌性。
[0007] C元素部分固溶于基體，提高基體強(qiáng)度，同時(shí)，C元素是碳化物的組成元素之一， C的含量不能小于I. 5%，以保證合金元素能夠充分參與碳化物析出，C的最大含量不超過 2. 5%，避免過多的C固溶于基體導(dǎo)致韌性下降。在C含量為I. 5%-2. 5%范圍內(nèi)，能夠獲得最 大耐磨性能以及強(qiáng)韌性的配合。
[0008] W、Mo固溶于基體，提高基體淬透性，本發(fā)明W含量范圍是0. 1%-0. 5%，Mo的含量 范圍是Mo < 3. 0%。
[0009] Cr的作用一方面固溶于基體，提高淬透性，另一方面Cr促進(jìn)其它碳化物的析出， 本發(fā)明Cr含量為4. 2%-5. 9%。
[0010] V主要用于形成MC型碳化物，提高工具鋼的耐磨性能，V含量控制范圍為 5. 0%-10, 2%〇
[0011] Nb的作用與V類似，參與形成MC碳化物，本發(fā)明中Nb固溶于MC碳化物，提高M(jìn)C 碳化物析出時(shí)的形核數(shù)量，促進(jìn)MC碳化物析出和細(xì)化，提高耐磨性能；添加含量上限在于 避免富Nb的MC碳化物析出；因此限定Nb的含量范圍為I. 25%-2. 1%。
[0012] Co主要固溶于基體，促進(jìn)熱處理過程碳化物析出，細(xì)化碳化物顆粒度，本發(fā)明Co 含量的范圍為〇. 〇5%-〇. 5%。
[0013] Si不參與碳化物形成，作為一種脫氧劑和基體強(qiáng)化元素來使用，Si過多會使基體 的韌性下降，因此本發(fā)明Si含量范圍限定為Si < 1. 0%。
[0014] Mn作為脫氧劑加入，可以固硫減少熱脆性，另外錳增加淬透性，本發(fā)明Mn含量范 圍為 0· 2%-1· 0%。
[0015] N參與形成MC碳化物，快速冷卻條件下，N促進(jìn)MC碳化物形核析出，同時(shí)不會導(dǎo)致 MC碳化物過分長大，有利于提高耐磨性能；N添加含量上限在于避免具有高穩(wěn)定性富N的 MC碳化物在過高溫析出，導(dǎo)致碳化物粗化；本發(fā)明N含量范圍為0. 05%-0. 3%。
[0016] 本發(fā)明V、Nb、C、N等合金元素形成MC碳化物類型為（V、Nb) (C、N)，鋼液快速冷卻 凝固條件下，添加的Nb和N參與MC碳化物形成，提高碳化物形核率和細(xì)化MC碳化物顆粒， 使工具鋼韌性提高。
[0017] 作為對上述方式的限定，所述雜質(zhì)包括0, 0 < 0. 01%。
[0018] 0過高導(dǎo)致工具鋼韌性下降，本發(fā)明控制0含量< 0. 01%，以確保鋼的優(yōu)良性能。
[0019] 作為對上述方式的限定，其化學(xué)組分按質(zhì)量百分比計(jì)包括：C :1. 6%-2. 3%，W : 0· 2%-0· 4%，Mo :彡 2. 5%，Cr :4· 5%-5· 9%，V :5. 5%-10%，Nb : 1. 25%-1· 9%，Co :0· 05%-0· 3%，Si : 彡 0· 9%，Mn :0· 2%-0· 8%，N :0· 05%-0· 25%，0 彡 0· 008%，余量為鐵和雜質(zhì)。
[0020] 為了達(dá)到更好的綜合性能，本發(fā)明噴射成形工具鋼中的各化學(xué)組分應(yīng)控制在要求 范圍之內(nèi)。
[0021] 作為對上述方式的限定，所述雜質(zhì)包括S，S < 0. 1%。
[0022] 作為對上述方式的限定，所述雜質(zhì)包括P，P < 0. 03%。
[0023] 作為對上述方式的限定，所述MC碳化物的體積分?jǐn)?shù)為10%_15%。
[0024] 作為對上述方式的限定，所述MC碳化物至少80V〇1%尺寸< 8 μ m。
[0025] 作為對上述方式的限定，所述MC碳化物最大尺寸不超過14 μ m。
[0026] 本發(fā)明的噴射成形工具鋼，可以采用如下方法制備，包括以下步驟： a、 按上述化學(xué)組成要求制備工具鋼鋼液并轉(zhuǎn)移至鋼包； b、 通電加熱鋼包內(nèi)鋼液上表面覆蓋的保護(hù)渣，維持鋼液的過熱度；在鋼包底部通入惰 性氣體對鋼液進(jìn)行攪拌； C、將鋼液通過鋼包底部的導(dǎo)流管以穩(wěn)定流量流入預(yù)加熱的中間包，待鋼液進(jìn)入中間包 埋沒導(dǎo)流管下端面時(shí)對鋼液上表面施加保護(hù)渣； d、 對中間包進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)償加熱，維持鋼液的過熱度； e、 鋼液從中間包進(jìn)入噴射沉積室后采用惰性氣體進(jìn)行霧化沉積，在穩(wěn)定出口壓力下完 成噴射沉積得到噴射沉積錠；噴射沉積過程維持鋼液溫度穩(wěn)定、鋼液流量穩(wěn)定，噴射沉積接 收盤緩慢下降同時(shí)水平旋轉(zhuǎn)，噴射沉積接收盤下降速度與噴射沉積錠生長速度保持一致使 噴射沉積錠上端面高度恒定；控制氣體進(jìn)氣、出氣流量，保持噴射沉積室的惰性氣體保護(hù)性 氛圍； f、 將噴射沉積錠轉(zhuǎn)移至保護(hù)性氣氛爐進(jìn)行退火或直接轉(zhuǎn)移至熱鍛開坯工藝環(huán)節(jié)。
[0027] 在噴射成形工藝過程采用全流程保護(hù)，以控制氧含量及碳化物形態(tài)，優(yōu)化工具鋼 性能。鋼包的保護(hù)渣具備隔絕空氣以及導(dǎo)電加熱功能；鋼包底部通過透氣孔通入惰性氣體， 使鋼包內(nèi)不同位置鋼液溫度均衡，同時(shí)加速有害夾雜的上浮去除；鋼包底部的導(dǎo)流管一方 面對鋼液起導(dǎo)流作用，減少鋼液流轉(zhuǎn)過程紊流產(chǎn)生，避免卷渣或減少夾雜進(jìn)入到下一環(huán)節(jié)， 另一方面避免鋼液直接與空氣的接觸，防止鋼液氧含量上升；中間包的保護(hù)渣防止流經(jīng)中 間包的鋼液直接與空氣