[發明專利]適用于單晶金剛石切削的超細晶鋼及其制備方法

無效

• 申請號: 201110322389.8
• 申請日: 2011-10-21
• 公開（公告）號: CN102337479A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發明（設計）人: 房豐洲;李占杰;宮虎;張效棟
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C22C38/54
• 分類號: C22C38/54;C22C33/06;C22B9/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗

技術領域

本發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生巨大的刀具化學磨損，所以傳統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濟效益。因此，我們課題組前期開發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”(申請號：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，從而產生較大的刀具磨損，繼而降低工件表面質量。

發明內容

本發明針對以上不足，創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在細化晶粒，其晶粒尺寸可達到1μm以下，一方面，大幅度增加晶界體積分數，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，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。

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，以氮氣作為保護氣，在重熔熔煉過程中連續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。在重熔熔煉過程中連續均勻地往渣池加入體積分數為1.1％納米級粉體形核劑，獲得晶粒尺寸小于1μm的超細晶鋼。

所述的納米級粉體為ZrC、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Fe_2-3N和Fe₄N；切削深度要小于化合物層厚度。