[发明专利]一种高碳耐磨工模具钢的双扫描喷射成形制备方法

说明书

技术领域

本发明属于先进材料加工制造领域，涉及一种高碳耐磨工模具钢的双扫描喷射 成形制备方法。

背景技术

喷射成形技术由英国Swansea大学的A.R.E.Singer提出，后来经过英国 OspreyMetalsLtd公司对其工艺和设备进行深入研究和开发后，逐步发展成了一种 金属材料制备新技术。喷射成形制备的合金材料具有晶粒细小、组织均匀、能够抑 制宏观偏析等快速凝固粉末冶金材料的组织特点。

自上世纪八十年代开始，我国对喷射成形技术开始研究工作。喷射成形工艺的 基本原理为：熔化的金属熔体经过惰性气体雾化成细小熔滴后，在高速惰性气流作 用下，沉积于特定运动方式的沉积器上，形成致密的近终形沉积坯。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。 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。

经过多年的发展，喷射成形工艺由最初的单喷嘴喷射，经过单喷嘴扫描喷射成 形、双喷嘴喷射成形，发展到先进的双喷嘴扫描喷射成形工艺。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，显著缩短生产周期，材料利用率高，经济效益显著。研究认为， 制备成同样的材料，喷射成形工艺的成本比传统粉末冶金工艺可降低约30％。

对于高碳脆性耐磨工模具钢材料，喷射成形是十分合适的制备工艺。目前，由 于工模具钢中碳含量过高，在常规铸造工艺条件下的凝固过程中，很难避免碳的偏 析以及粗大碳化物的形成，造成工模具钢材料性能恶化，使用寿命短，因而长期被 排除在实用工程材料之外。工模具钢要具备良好的超塑性性能，必须经过后续处理 使其具备合适的组织。采取的工艺措施包括热机械处理，如热/温加工、多道次轧制， 离异共析转变等，来消除工模具钢的连续网状碳化物，从而细化珠光体基体晶粒并 使细小球状碳化物弥散分布。宝钢研究院采用喷射成形工艺制备了具有均匀、细化、 无偏析组织的工模具钢，具有优良的室温力学及超塑性性能，并获得了专利[章靖 国，史海生，姚锦声等，一种具有超塑性的超高碳钢基材获得方法及其应用(专利 申请号：01126952.9)；章靖国等，高强度超高碳钢及其生产工艺(申请号 P02150879.8)，但是，宝钢研究院以上专利中使用的是单喷嘴喷射成形设备，结构 相对简单，无扫描装置，使得材料收得率较低，同时制备出的超高碳钢沉积坯尺寸 较小，组织均匀性相对较差。

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。例如，宝钢研究院的章靖国等提出了一 项专利技术：一种使高钒高钴工模具钢获得超塑性性能的方法(申请号： 200410024855.4)。但是，他们喷射成形制备添加昂贵金属的高钒高钴工模具钢内 部的夹杂物含量较高，而且材料内部组织不十分均匀。

发明内容

本发明的目的是提出一种工模具钢其内部的夹杂物含量少，而且材料内部组织 均匀的高碳耐磨工模具钢的双扫描喷射成形制备方法。

本发明的技术解决方案是，

(1)装料，将高碳工模具钢棒料放入双扫描喷射成形设备的熔炼室的坩锅内， 抽真空，真空度达到10^-2Pa；

(2)真空感应熔炼，感应加热熔炼高碳工模具钢，熔炼温度高于高碳工模具钢 熔点100℃～250℃，钢液真空精炼，保温10～20min，使高碳工模具钢熔体的成 分和温度达到均匀一致，向熔炼室和雾化室充氮气，压力达到1.05atm；