[发明专利]一种金属间化合物与碳氮化物共同强硬化粉末冶金高速钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金属间化合物与碳氮化物共同强硬化粉末冶金高速钢，以原位生成的金属间化合物及外加碳氮化物对钢基体进行强化，通过粉末冶金方法得到金属间化合物与碳化物共同强硬化粉末冶金高速钢。本发明通过特定的稳定碳氮化物及合金元素添加，通过外加碳氮化物及原位生成的金属间化合物对材料进行共同强化，得到一种金属间化合物与碳氮化物共同强硬化粉末冶金高速钢。由于金属间化合物和基体中较少的碳，材料能保持优异的红硬性及抗粘刀性，同时稳定的高硬度碳氮化物的加入能够起到明显的细化晶粒及耐磨性提升的作用。

技术领域

本发明涉及机加工刀具领域，具体来说涉及一种通过金属间化合物和碳氮化物共同实现强硬化的粉末冶金高速钢，该高速钢材料尤其适用于钛合金和高温合金等材料的加工。

背景技术

19世纪90年代高速钢便被研发成功，在一百余年来的时间中，随着工业技术的迅速发展，对材料加工要求越来越高，传统铸锻高速钢无法满足加工的需求，高速钢的种类及制备方式也在不断更新。其中钛合金、高温合金、不锈钢材料在各领域都有着广泛的应用，可用于航空航天技术、军工装备、生物医药、海洋工程、能源电力、汽车制造等行业。但这些材料均属于难加工材料，由于其导热性差、易于粘刀等难加工特性，在加工过程导热差，热量聚集使得加工表面温度可达600℃以上，加工表面形成氧化硬层(厚度为0.1～0.15mm)。过去面对钛合金、高温合金、不锈钢等材料的加工，所选用的常规碳化物高速钢和硬质合金都存在自身的缺点，碳化物高速钢高温时刀具硬度急剧下降，碳化物发生聚集，刀具产生剧烈磨损，刃口发生崩缺；硬质合金韧性较差，易于粘刀形成刀瘤，带走涂层使刀具材料失效。

故金属间化合物强硬化高速钢应运而生，金属间化合物强硬化高速钢相较于碳化物高速钢有高的红硬性和优异的抗回火稳定性，相较于硬质合金有好的强度、韧性和导热性，能够较好的弥补两者之间的应用空白。它最初研究从20世纪30年代开始，主要在德国、苏联及日本等国家进行，采用铸锻方式进行制备，但存在着韧性较差的缺陷，后来随着制备技术升级，采用与常规高速钢相同的气雾化-热等静压工艺。这种材料是一种新型时效高速钢材料，通过在钢中添加Co、Ni、Mo、W等合金元素在烧结中原位生成弥散分布的金属间化合物，从而实现强硬化效果。相较于碳化物，金属间化合物有着更高的抗聚集能力和热稳定性，同时由于原位析出的金属间化合物相与基体良好的界面关系，在具备高硬度同时保持了较高的强度，同时导热系数约为高速钢及硬质合金的两倍。金属间化合物强硬化高速钢有着红硬性好、强度高韧性好、导热系数大、抗粘刀优异的特点，被认为是更适宜于加工钛合金、高温合金、不锈钢等材料的加工。

但在金属间化合物强硬化高速钢的传统粉末冶金制备中，由于无碳化物阻碍晶粒长大，仍存在着烧结后晶粒过大等不足，同时金属间化合物显微硬度为1400HV，仍低于大部分碳化物，较低温度下的硬度及耐磨性仍低于传统碳化物强硬化高速钢。

发明内容

本发明目的在于针对钛合金、高温合金、不锈钢等材料的难加工现状，进一步提升金属间化合物强硬化高速钢的硬度及耐磨性。通过特定的稳定碳氮化物及合金元素添加，通过外加碳氮化物及原位生成的金属间化合物对材料进行共同强化，得到一种金属间化合物与碳氮化物共同强硬化粉末冶金高速钢。由于金属间化合物和基体中较少的碳，材料能保持优异的红硬性及抗粘刀性，同时稳定的高硬度碳氮化物的加入能够起到明显的细化晶粒及耐磨性提升的作用。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种金属间化合物与碳氮化物共同强硬化粉末冶金高速钢，以原位生成的金属间化合物及外加碳氮化物对钢基体进行强化，通过粉末冶金方法得到金属间化合物与碳化物共同强硬化粉末冶金高速钢。

优选的方案，所述金属间化合物主要由金属元素Fe、Co、Ni、Mo、W、Ti、Nb原位生成，所述外加碳氮化物为TiC、TiN、Ti(C,N)、NbC、TaC、TaN、ZrC、ZrN中的一种或多种。

优选的方案，所述金属间化合物与碳化物共同强硬化粉末冶金高速钢由以下质量百分比组份制得：Co：10～30％、Mo：5～25％、W：2～20％、碳氮化物：1～15％，余量为Fe。