[發明專利]一種確定加壓電渣重熔壓力、動態調節壓力制備高氮高速鋼梯度材料的方法及應用

有效

• 申請號: 202110652304.6
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113373316B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 李花兵;馮浩;劉壯壯;姜周華;朱紅春;張樹才;焦衛超;楊守星;賀彤
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C22B9/18
• 分類號: C22B9/18;C21C7/06;C21C7/10;C22C33/04;C22C38/22;C22C38/04;C22C38/02;C22C38/24;C22C38/30
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 任霜

本發明屬于高速鋼技術領域，具體涉及一種確定加壓電渣重熔壓力、動態調節壓力制備高氮高速鋼梯度材料的方法及應用。本發明通過動態調節加壓電渣重熔的壓力，得到預期氮含量呈梯度分布的高速鋼梯度材料。本發明利用氮在不同壓力下的溶解度差異，實現氮元素在電渣錠中的梯度分布，有效避免了電渣錠的性能突變，突破傳統材料硬度和韌性的矛盾，使二者更合理匹配，從而得到具有高硬度、高紅硬性和高耐磨性的同時，又可以承受彎曲、扭轉和沖擊振動等載荷作用的高速鋼梯度材料。

技術領域

本發明屬于高速鋼技術領域，具體涉及一種確定加壓電渣重熔壓力、動態調節壓力制備高氮高速鋼梯度材料的方法及應用。

背景技術

高速鋼因其硬度高、耐磨性和耐熱性高、強韌性配合好、工藝性能優異，被廣泛用于制造各種切削刀具、高載荷模具、航空高溫軸承等諸多領域。碳化物作為高速鋼中重要的相，是高速鋼具有高硬度、高紅硬性、高耐磨性等使用性能的重要保證，但是尺寸粗大、分布不均的碳化物晶相組織又是嚴重惡化高速鋼性能的根源。氮元素被作為微合金化元素，添加到高速鋼中可以細化和均勻共晶碳化物，同時還能改善熱處理過程中碳化物形態與分布，并且氮與碳元素具有相似的析出相形成能力和較強的二次硬化能力。但對于傳統高速鋼來說，其硬度和韌性是兩個矛盾的性能指標，高硬度的傳統高速鋼往往韌性較差，高韌性的傳統高速鋼往往硬度較低。因此，通過添加合金元素同時改善高速鋼硬度和韌性的程度有限。

梯度材料避免了性能突變，突破了傳統均勻單質材料或均勻單級復合材料多功能性共存的矛盾，能夠實現材料硬度和韌性完美匹配。鑒于氮在改善碳化物形態與分布和提高高速鋼綜合性能方面的有益作用，采用含氮梯度材料調控高速鋼整體材料的硬度和韌性使高速鋼梯度材料滿足高端刀具“高韌性刀背+高硬度高耐磨性刃部”的性能需求。現有的梯度材料制備工藝中，粉末冶金方法可用于制備含氮高速鋼梯度材料，但粉末冶金在制備高氮鋼材料時存在氮分布均勻差及氮含量難以精確控制的問題，從而影響梯度材料硬度和韌性的匹配。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種確定加壓電渣重熔壓力、動態調節壓力制備高氮高速鋼梯度材料的方法及應用。按照本發明提供的制備方法能夠精確控制氮在高氮高速鋼中的含量和分布，從而得到硬度和韌性完美匹配的梯度材料。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種確定加壓電渣重熔壓力的方法，在進行加壓電渣重熔時，按照式1得到氮氣壓力，根據式2得到加壓電渣重熔壓力：

其中p'_i為氮氣壓力，單位為MPa；p^Θ為標準大氣壓，單位為MPa；T為冶煉溫度，單位為K；[％N]為高速鋼目標氮梯度相應質量百分數；[％C]為鑄錠中碳的質量百分數；[％Si]為鑄錠中硅的質量百分數；[％Ni]為鑄錠中鎳的質量百分數；[％Mn]為鑄錠中錳的質量百分數；[％Mo]為鑄錠中鉬的質量百分數；[％Cr]為鑄錠中鉻的質量百分數；[％V]為鑄錠中釩的質量百分數；

p_i＝p_i'+(0.5～1.2) 式2；

其中p_i為加壓電渣重熔壓力，單位為MPa。

本發明還提供了一種動態調節壓力制備高氮高速鋼梯度材料的方法，包括以下步驟：

將鑄錠作為自耗電極，按照上述技術方案中所述方法中式1和式2確定的壓力進行加壓電渣重熔，得到所述高氮高速鋼；所述鑄錠包括以下化學元素的組成：Fe、Cr、Mo、W、Co、Mn、V、C和稀土元素；所述加壓電渣重熔過程中包括：向加壓電渣重熔結晶器中添加氮化硅和鈣粒的混合物，對鑄錠進行增氮和脫氧處理；

式1為確定高氮高速鋼中各部分對應氮含量的壓力的公式；式2為確定不同部分高氮高速鋼的加壓電渣重熔壓力的公式。

優選的，所述鑄錠的制備方法包括以下步驟：