[發明專利]一種噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法

有效

• 申請號: 201210387919.1
• 申請日: 2012-10-12
• 公開（公告）號: CN102873329A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 張國慶;袁華;李周;許文勇;劉娜;高正江
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115;C22C33/00
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 陳宏林

技術領域

本發明是一種噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法，屬于金屬材料成型技術領域。

背景技術

噴射成形（Spray?Forming）是近年發展起來的利用快速凝固方法制備高性能材料的先進工藝，該技術不但制備成本低，而且能夠獲得晶粒細小且無偏析的內部組織，開辟了一條制備先進材料的新途徑。噴射成形的工藝原理是，在惰性氣體等保護氣氛下，采用高壓氣體將熔融金屬破碎成細小的金屬熔滴，霧化熔滴在飛行過程中通過對流和輻射等傳熱方式發生熱交換，產生程度不同的凝固，這些部分凝固的熔滴高速撞擊沉積器表面，在沉積器表面附著、鋪展(變形或破碎)、堆積，逐步長大成大塊金屬沉積坯，對坯體進行后續加工可獲得最終產品。與粉末冶金的工模具材料制備方法相比，具有短流程特點的噴射成形工藝具有無可比擬的優勢。

我國的汽車、航空、航天及裝備制造等產業正處于高速發展階段，正逐步由制造大國向制造強國轉變。先進航空、航天、汽車產品要求零部件具有更優異性能、更低成本更高環保性，而加工工藝要求具有更快加工速度、更高可靠性、高重復精度可再現性。我國現有的工模具材料以熔鍛工藝為主，由于受熔煉工藝的限制，合金化程度低、碳化物粗大、偏析嚴重、分布不均勻，耐磨、沖擊和切削等性能水平偏低，盡管其存在成本低廉的優勢，但難以滿足高速高效加工及難加工材料的要求，只適用于中低端產品。粉末冶金高速鋼無碳化物偏析且碳化物細小，抗彎強度是傳統高速鋼的2倍以上，耐磨性和高溫硬度均大幅度提高，廣泛用于大模數重載切削滾刀等關鍵刀具、模具和關鍵部件。我國是世界上高速鋼生產大國，但包括粉末冶金高速鋼在內的高性能高速鋼生產工藝技術與國際先進水平存在明顯差距，還主要依賴于進口,價格較高。從粉末冶金高速鋼在國外的發展情況來看，隨著加工制造業向中國的轉移，以及國內自身在加工裝備技術方面的發展，粉末冶金高速鋼工模具的應用市場也會加速向中國集中和發展，行業預測的年需求增長率將在15～30％之間。

現階段國內外主要采用粉末冶金工藝及鑄鍛工藝制備高釩模具鋼，粉末冶金工藝復雜，流程較長，成本較高，氧含量也較高，限制了其應用。而鑄鍛工藝生產的高釩模具鋼偏析嚴重，碳化物粗大，性能較差，很難制備出大尺寸的母材。

發明內容

本發明正是針對上述現有技術的狀況而設計提供了一種噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法，其目的是提出了一種制備高質量大尺寸高釩模具鋼的新工藝，避免了大尺寸高釩模具鋼碳化物偏析嚴重的缺陷，減少了加工工序，降低了生產成本。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

該種噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法，其特征在于：該方法的步驟是：

（1）選擇的高釩模具鋼母合金中釩元素的重量百分比為8～20%；

（2）將母合金放入霧化沉積爐熔煉室的真空感應熔煉坩堝內，對霧化沉積爐熔煉室和沉積室抽真空，真空度＜20Pa；

（3）送電加熱母合金至高于其熔點80～100℃，保溫20～30min，使感應熔煉坩堝內合金液的成分充分均勻，向霧化沉積爐熔煉室和沉積室內充入壓力為0.1～0.2MPa的高純氬氣，氬氣純度＞99.999％wt，O₂＜2ppm，充氣后霧化沉積爐熔煉室和沉積室壓力為0.95~0.98MPa；

（4）將合金液按照15~30kg/min的速度倒入已經被加熱的中間包系統，中間包系統預熱溫度＞1200℃，當合金液流出導流管下端后1~2s后，開啟氮氣雙噴嘴的閥門，用一路噴嘴噴出的高純氮氣對合金液進行穩流，噴嘴噴出的高純氮氣的壓力為0.3～0.7MPa，同時用另一路噴嘴噴出的高純氮氣對合金液進行掃描霧化，噴嘴噴出的高純氮氣的壓力為1.0～1.5MPa，氮氣純度＞99.999％wt，O₂＜2ppm，把合金液霧化成熔滴，熔滴飛行并在沉積器上形成柱狀沉積坯，沉積器的直徑為250~500mm；

（5）霧化沉積過程中，保持沉積坯的最頂端沉積部位與掃描霧化的噴嘴中心點之間距離保持不變；

（6）霧化沉積結束后，迅速降低沉積器，同時啟動霧化沉積爐的真空系統，對霧化沉積爐熔煉室和沉積室抽真空，真空度＜20Pa，沉積坯溫度低于700℃后，停止抽真空，隨爐冷卻；

（7）沉積坯從沉積室取出后，立即進行去應力退火，退火熱處理制度為：隨爐升溫至630~660℃，保溫2h，隨爐冷卻；

（8）對沉積坯進行鍛造，得到直徑大于150mm的大尺寸高釩模具鋼母材。

本發明的優點是：