[发明专利]粉末冶金耐磨耐蚀工具钢

说明书

技术领域

本发明涉及一种工具钢，尤其涉及一种粉末冶金耐磨耐蚀工具钢。

背景技术

在一些特殊工况条件下，工具或零部件不仅经受运动部件或工作介质中硬的研磨颗粒直接接触引起磨损，还经受潮湿、酸或其它腐蚀剂的腐蚀作用，这样一种典型的工况如用于塑料机械挤注塑成形的螺杆、螺杆头或螺杆套筒等零部件，一方面由于塑料中添加大量硬质颗粒，如玻璃纤维、碳纤维等，导致这些零部件磨损加剧，另一方面塑料中腐蚀性成分对零部件产生化学腐蚀。为了使应用于这些特殊工况的零部件具备长的使用寿命，所使用工具钢必须具有高的耐磨性能和耐蚀性能，另外为了承受工作应力加载和冲击，工具钢需具备一定的硬度和韧性。工具钢的耐磨性能取决于基体硬度以及钢中存在的硬质第二相的含量、形态以及粒度分布。钢中的硬质第二相包括M₆C、M₂C、M₂₃C₆、M₇C₃以及MC等，MC碳化物的显微硬度高于其它碳化物，作业过程中能够更好地保护基体，从而减少磨损的发生，提高工模具的使用寿命。工具钢耐蚀性能的提高主要依赖于铬元素在基体中的固溶，认为至少11%的铬固溶于基体是必要的。工具钢的韧性取决于基体强度以及第二相的分布状态，钢中粗大碳化物的存在引起应力集中，使工具钢韧性降低，导致在较低的外力加载下发生断裂，为了提高工具钢韧性，减少碳化物含量或细化碳化物粒度是重要的手段。工具钢使用过程中为了避免塑性变形发生，工具钢通常要求硬度达到HRC60以上。

目前工具钢主要采用传统的铸锻工艺制备，采用铸锻工艺制备工具钢受到工艺过程钢液缓慢冷却凝固特点的限制，合金成分在凝固过程中容易发生偏析，形成粗大的碳化物组织，即使经过后续锻轧处理，这种不良组织仍然会对合金性能带来不良影响，导致铸锻工具钢性能上包括强度、韧性、耐磨性能、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使用性能及寿命稳定性的要求。采用粉末冶金工艺制备工具钢解决了合金元素偏析的问题，粉末冶金工艺制备工具钢的主要步骤包括：雾化制粉→粉末固结成形，在上述雾化制粉环节，钢液被快速冷却成粉末，钢液中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，相比铸锻合金性能有大幅度提升，目前对于一些性能要求极高的高合金工具钢只有采用粉末冶金工艺进行制备才能满足要求。采用粉末冶金工艺制备工具钢已有报道，但部分钢种成分设计不够合理，组织及性能有待进一步提高。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有优异性能的粉末冶金耐磨耐蚀工具钢。

为实现上述目的，本发明的粉末冶金耐磨耐蚀工具钢其化学组分按质量百分比计包括：C：1.8%-2.3%，W：0.1%-1.0%，Mo：≤1.8%，Cr：18.2%-24.0%，V：3.0%-5.2%，Nb：0.2%-1.8%，Co：0.1%-0.5%，Si：≤1.0%，Mn：0.2%-1.0%，N：0.05%-0.5%，余量为铁和杂质；所述粉末冶金耐磨耐蚀工具钢的碳化物组成为MC碳化物和M₇C₃碳化物，其中MC碳化物的类型为（V、Nb）（C、N）。

本发明通过合金成分的设计，以获得一种具有优异耐磨耐蚀性能的工具钢。

C元素部分固溶于基体，提高基体强度，同时，C元素是碳化物的组成元素之一，含量不能小于1.8%，以保证合金元素能够充分参与碳化物析出，C的最大含量不超过2.3%，避免过多的C固溶于基体导致韧性下降，在C含量1.8%-2.3%范围内，能够获得最大耐磨性能以及强韧性的配合。

W 、Mo固溶于基体，提高基体淬透性，本发明W含量范围是0.1%-1.0%，Mo的含量范围是Mo≤1.8%。

Cr一方面固溶于基体，提高耐蚀性能及淬透性，另一方面Cr以M₇C₃碳化物形式析出，考虑到Cr固溶于基体以及以碳化物形式析出之间存在的平衡，本发明的Cr含量为18.2%-24.0%。

V主要用于形成MC型碳化物，提高工具钢的耐磨性能，V含量控制范围为3.0%-5.2%。

Nb的作用与V类似，参与形成MC碳化物，本发明工具钢Nb固溶于MC碳化物，提高MC碳化物析出时的形核数量，促进MC碳化物析出和细化，提高耐磨性能；Nb添加含量上限在于避免富Nb的MC碳化物析出；本发明控制Nb的含量范围为0.2%-1.8%。