粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢的制作方法

本发明涉及一种沉淀硬化高速钢，尤其涉及一种粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢。

背景技术：

1、在航空航天及海洋化工等领域中，工具或零部件除了承受工作应力加载和冲击，还需要经受潮湿、酸或其他腐蚀性介质的腐蚀作用，为了适用于在这些工况条件同时具备长的使用寿命，材料必须具备良好的强韧匹配和高的耐腐蚀性能。

2、沉淀硬化钢是一种无碳铁基马氏体沉淀硬化工具合金，由于成分中c含量低，基本无碳化物析出，组织主要为铁基基体和fe-co-mo-w的金属间化合物(即imc)，硬化效应是由于时效过程中析出的imc颗粒所致。此类沉淀硬化高速钢具有良好的可磨削性和抗回火软化能力，尺寸稳定性好。

3、由于采用传统的铸锻工艺制备时，受到工艺过程钢液缓冷凝固特点的限制，合金成分在凝固过程中容易发生偏析，这种不良的组织无法通过热加工方式得到有效解决，将对合金性能产生不良影响，导致高速钢性能上包括强度、韧性、可磨削性能等处于偏低水平，难以满足高端加工制造对材料性能和寿命的要求，且现有的沉淀硬化钢的耐腐蚀的能力也难以满足在高端领域中的使用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种具有良好组织和优异性能的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢，其特征在于，按质量百分比计，该钢包括如下化学组分：

4、c：0.1％-0.2％；

5、si：0.3％-0.8％；

6、cr：2.0％-15.0％；

7、v：0.05-2.0％；

8、co：10.0％-30.0％；

9、w：0％-5.0％；

10、mo：10％-28.0％；

11、(mo+w/2)：10.0％-31.0％；

12、余量为铁和杂质；

13、且，所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中析出相包括大量金属间化合物(简称imc)μ相和少量的mc碳化物，其中μ相为(fe,co)7(mo+w/2)6型，mc碳化物为v(c、n)型。

14、本发明通过合金成分及配比的合理设计，从而提高钢的耐磨性和耐蚀性。

15、具体而言，本发明中沉淀硬化高速钢中的本发明中沉淀硬化高速钢中的c(碳)的含量需要控制在0.1％-0.2％，优选为c：0.1％-0.18％，减少碳化物的析出，主要以μ相析出实现强化，钢中少量的c用于形成碳化物，进一步提高沉淀硬化钢的耐磨性。

16、co(钴)的作用是固溶于基体中，使合金成为马氏体钢，从而比铁素体合金的硬度和强度提高了一个档次，co含量的增加会适当降低钢的韧性，在本发明中co元素含量范围是10.0％-30.0％，优选为14.0％-30.0％。

17、w(钨)的熔点高，增加了钢的强度和回火稳定性，高温蠕变抗力、增加钢的抗回火软化能力，使得钢在加工和使用过程中表层升温少，硬度下降少，在本发明中w元素含量范围是0％-5.0％，优选为0％-3.0％。

18、mo(钼)的作用于w相同，能够完全取代w，且价格比w低。另一方面mo含量越高，则μ相的开始析出温度越高，μ相的颗粒度也就越大，在本发明中mo元素含量范围是10％-28.0％，优选为10％-27.0％。

19、cr(铬)加入到钢中作用，一是能够粗化颗粒，使得红硬性有所下降，提高可加工性；另一方面部分cr固溶于基体中，能够提高钢的耐腐蚀性和淬透性。在本发明中cr元素含量范围是2.0％-15.0％，优选为2.0％-12.0％。

20、v(矾)作为强碳化物形成元素，主要作用于是与钢中的形成mc型碳化物，提高钢的耐磨性，使得更多的cr固溶于基体进一步提高耐磨性，为保证钢的强化机制仍以μ相为主，且保证钢的可磨削性，本发明中v元素含量范围是0.05％-2.0％，优选为0.05％-1.7％。

21、si(硅)不是碳化物形成元素，而是作为一种脱氧剂和基体强化元素来使用，能够提高钢的强度和硬度，但是si过多会使基体的塑性和韧性下降，本发明的si含量控制在1.0％以下，且优选为≤0.8％。

22、作为上述方式的优选限定，按质量百分比计，所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢包括如下的化学组分：

23、c：0.1％-0.18％；

24、si：0.3％-0.6％；

25、cr：2.0％-12.0％；

26、v：0.05-1.7％；

27、co：14.0％-30.0％；

28、w：0％-3.0％；

29、mo：10％-27.0％；

30、(mo+w/2)：10.0％-28.5％；

31、余量为铁和杂质。

32、为了达到更好的综合性能，本发明粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中的各化学组分应控制在要求范围之内。

33、进一步的，至少80％体积分数的所述μ相至的颗粒尺寸≤1.5μm，所述μ相的最大颗粒尺寸不超过6.0μm。

34、进一步的，所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中所述μ相的体积分数为15-28％。

35、进一步的，至少80％体积分数的所述mc碳化物的颗粒尺寸≤1.5μm，所述mc碳化物的最大颗粒尺寸不超过2.5μm。

36、进一步的，所述粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢中所述mc碳化物体积分数为1.0％-3.0％。

37、本发明中，采用粉末冶金工艺制备沉淀硬化钢，能够解决元素偏析问题从而获得均一的组织结构，粉末冶金工艺制备沉淀硬化高速钢的主要步骤包括：雾化制粉→热等静压成型，钢液被快速冷却成粉末，钢液中的合金元素来不及偏析即完全凝固，粉末固结成材后组织细小均匀，相比传统铸造或电渣工艺生产的沉淀硬化高速钢，性能有大幅度提升。

38、本发明同时也提供了制备如上所述的粉末冶金耐磨耐蚀沉淀硬化高速钢的制备方法，且所述制备方法具体包括如下的步骤：

39、s1.按上述化学组成要求制备沉淀硬化钢钢液并转移至钢包；

40、s1.1.通过加热钢包内钢液上表面覆盖的保护渣，维持钢液的过热度；在钢包底部通入惰性气体对钢液进行搅拌；

41、s1.2.将钢液通过钢包底部的导流管以稳定流量流入预加热的中间包，待钢液进入中间包埋没导流管下端面时对钢液上表面施加保护渣；

42、s1.3.对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度；

43、s1.4钢液从中间包进入雾化室后采用惰性气体进行雾化制粉，得到的金属粉末沉降至雾化室底部，后进入具有保护气氛的储粉罐体，通过保护筛分装置对金属粉末进行筛分后再进入储粉罐体储存；

44、s1.5在惰性气体保护下，将储粉罐体内的金属粉末转移至热等静压包套，待金属粉末振动装填紧实后对热等静压包套进行真空脱气处理，对其端部进行封焊处理，随后进行热等静压处理使金属粉末完全致密固结，完成粉末冶金工艺。

45、上述的粉末冶金工艺包括非真空熔炼雾化制粉和热等静压环节，过程采用全流程保护，以控制氧含量及析出相形态，优化沉淀硬化钢性能。

46、钢包的保护渣具备隔绝空气及导电加热功能。钢包底部通过透气孔通入惰性气体，使钢包内部不同位置钢液温度均衡，同时加速有害夹杂的去除。钢包底部的导流管一方面对钢液起到导流作用，减少钢液流转过程中产生紊流，避免卷渣并防止夹杂进入下一环节，另一方面导流管避免钢液暴露于空气中，防止钢液氧含量升高。而在钢液进入中间包前，需要对中间包进行预加热，以防止钢液进入中间包时局部凝结或第二相提前析出。

47、储粉罐内部具有气氛保护和强制降温冷却功能，粉末保护筛分装置对粉末筛分过程起到保护作用同时防止粉末飘扬，储粉罐体与热等静压包套密封连接，热等静压包套在装粉前通入惰性气体排出空气，能够防止粉中的氧含量上升。

48、本发明沉淀硬化高速钢采用粉末冶金工艺制备，成分设计合理，制备过程中采取多种有效的保护手段防止钢液及粉末受到污染，为最终获得高性能沉淀硬化钢提供保障，且由于特定的化学组成和粉末冶金的快速冷凝工艺，形成类型为(fe,co)7(mo+w/2)6的金属间化合物μ相更加细小、均匀，热处理后获得65hrc以上的硬度，具备出色硬度、抗回火软化性能和韧性配合，可以满足不用类型的应用需求。