[发明专利]一种纯净化制备双扫描喷射成形高速钢的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料加工领域。涉及一种纯净化制备双扫描喷射成形高速钢的方法。

背景技术

喷射成形工艺过程主要由合金熔液雾化、熔滴飞行与冷却、沉积坯生长三个连续过程构成。合金熔体在导流管末端，被雾化气流破碎成大量尺寸在几微米～几百微米之间的细小熔滴，熔滴在高速气流作用下加速，同时与气流进行快速热交换(冷却速率高达10³～10⁶K/S)。由于冷速的不同，到达沉积坯前小于某一临界尺寸的熔滴冷凝成固体颗粒，较大尺寸的可能仍为液态，处于中间尺寸的熔滴则为含有一定液相的半凝固颗粒。这无数个凝固程度不同的熔滴，高速撞击沉积器表面，在沉积器表面附着、堆积、铺展、熔合形成一个薄的半液态层并顺序凝固结晶，逐步沉积成一个大块致密的金属坯体。因此，喷射成形是把液态金属的雾化(快速凝固)和雾化熔滴的沉积(动态致密固化)结合在一步冶金操作中完成，不但减少工序，具有明显的经济效应，而且组织均匀，提高材料性能。

喷射成形工艺的一个突出优点就是制备出的材料晶粒细小，组织十分均匀。在雾化过程中，熔滴中熔质原子的扩散和偏聚被限制在金属熔滴的微小尺寸范围内。在沉积过程中，由于冷却速度较快且沉积坯表面处于半凝固状态，溶质原子来不及扩散与偏聚，部分金属熔滴快速冷凝生成细小的枝晶组织，其余尺寸较大的不同凝固状态的雾化熔滴高速撞击在沉积坯表面后，内部凝固成的枝晶绝大部分被破碎，形成许多晶粒凝固核心(即晶核)，然后沉积坯发生缓慢的高温退火过程，生成由等轴晶组成的均匀的内部组织。因而，喷射成形材料无宏观偏析(即使微观偏析程度也较低)，特别有利于制备易偏析的高合金化材料，如高速钢、工具钢、模具钢等。

在喷射成形过程中，金属熔滴的雾化是在惰性气体保护下进行的，且时间很短(一般为10^-3秒)，因此被氧化的程度很低。与传统粉末冶金工艺相比，由于减少了贮藏、运输、筛分、包套、压制等多道工序，大大缩短了生产周期，材料利用率高，经济效益显著，有利于工业生产。有人研究认为，制备成同样的材料，喷射成形的成本比传统粉末冶金工艺可降低约30％。

利用喷射成形的快速凝固特点，可以解决传统工艺方法制备合金中较易出现的偏析、一次碳化物粗大、热加工性差等问题。上海宝钢研究院申请的专利《一种使高钒高钴高速钢获得超塑性性能的方法》(申请号：200410024855.4)，即通过喷射成形工艺使高钒高钴高速钢获得超塑性能。用喷射成形方法后，具有超塑性性能且添加昂贵金属的高钒高钴高速钢可以实现一次成形形状较复杂的刀具和模具，大大减少了材料、能源和时间的消耗。他们采用一种高速钢进行试验表明，喷射成形高速钢的超塑性温度范围宽，且在较高的应变速率(1×10^-1S^-1)下，仍有100％以上的高温拉伸延伸率，在同样条件下远高于常规铸锭锻轧工艺制备的高速钢的塑性，但是，采用此方法成型制备的高速钢其内部的夹杂物含量较高。

发明内容

本发明的目的是提出一种使高速钢内部的夹杂物含量降低的一种纯净化制备双扫描喷射成形高速钢的方法。本发明的技术解决方案是，

(1)在10-3Pa真空气氛中熔化并精炼后的高速钢钢液，在倾倒入中间包时，采用氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷过滤器过滤钢液，钢液喷射成形前，对熔炼室和雾化室进行洗气操作，即将高速钢母合金料放入真空感应炉内加热，并在合金料熔化前，采用机械泵和增压泵对熔炼室和雾化室抽真空，真空度低于10^-3Pa，关闭各真空阀，向熔炼室和雾化室内充入N₂＞99.9％wt，O₂＜2ppm的高纯氮气，当压力接近1atm后，抽真空，真空度低于10-3Pa，重复操作三次；

(2)向熔炼室和雾化室内充入N₂＞99.9％wt，O₂＜2ppm的高纯氮气，气体压力接近1atm；

(3)把精炼均匀的高速钢钢液按每分钟50公斤的速度缓慢倒入已加热的中间包内，钢液经中间包过滤，通过导流管，将钢液在雾化喷嘴处以压力70atm、纯度N₂＞99.9％wt，O₂＜2ppm的氮气雾化成熔滴，熔滴沉积在沉积器上形成沉积坯；

(4)当雾化沉积完成后，把雾化室和熔炼室抽真空，使高温沉积坯处于真空状态，真空度低于10^-2Pa。

(5)当沉积坯温度低于200℃，破真空，取出沉积坯。