[发明专利]一种含钇粉末冶金高速钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含钇粉末冶金高速钢及其制备方法。按质量百分比计，其原料组成如下：羰基铁粉80～90wt.％；碳化钨粉3～9wt.％；碳化钼粉2.5～8wt.％；碳化铬粉2～6wt.％；碳化钒粉1～3wt.％；氢化钇粉0.02‑0.10wt.％。制备方法为以碳化物粉、羰基铁粉和氢化钇粉为原料，经过球磨混合、真空干燥、放电等离子烧结等步骤制备出高性能的粉末冶金高速钢。本发明具有稀土元素利用率高、工艺流程简单、烧结温度低等优点。所提供的放电等离子烧结粉末冶金高速钢氧含量低、晶粒细小、碳化物分布均匀，材料具有优异的抗弯强度与冲击韧性。

技术领域

本发明属于粉末冶金高速钢制造技术领域，涉及一种含钇粉末冶金高速钢及其制备方法。

背景技术

高速钢(HSS)是一种高碳高合金工具钢，在全球切削刀具消耗中占比超过 30％。HSS具有高的抗磨性、红硬性和相比于陶瓷刀具更高的冲击韧性和经济性，适用于制备形状复杂的切削工具，如丝锥、齿轮插刀等。高速钢的力学性能极大程度地受到组织中碳化物种类、尺寸和分布的影响。

采用传统铸造工艺制备的高速钢，由于在冷却过程中合金碳化物优先从液体中析出，不可避免地产生粗大莱式体碳化物偏析组织。偏析的存在不但使钢的锻、轧热加工变得困难，而且还明显降低钢的强度和耐磨性等性能。为使碳化物均匀分布，最理想的方法是采用粉末冶金工艺(PM)。在雾化制粉过程中，由于合金液滴极快的凝固速度抑制了共晶形成，粉末颗粒内部能够产生非常细小的碳化物颗粒。通过适当的控制加工，这些颗粒可以保留在烧结和热处理的最终产品中，从而提高高速钢的可加工性、抗磨损性和热处理过程中的尺寸一致性。粉末冷压 -烧结工艺是一种已被广泛采用的低成本粉末冶金制品生产方法。由于在制粉过程中粉末颗粒表面活泼元素易发生氧化，使得粉末氧含量过高，需要在烧结过程中脱除。然而过高的脱氧温度会造成碳化物长大及晶粒粗化，严重损害了高速钢抗弯强度和冲击韧性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含钇粉末冶金高速钢及其制备方法，该方法以羰基铁粉和碳化物粉末为原料，经过球磨混合、真空干燥、 SPS烧结等步骤制备出高性能的PM HSS材料。本发明的制备方法，采用碳化物为原料能够避免材料制备过程中活泼金属元素的氧化，从而可以降低粉末中氧含量；同时加入了适量的稀土元素钇，稀土元素钇的表面活性较强，其在较低温度烧结时也能够与压坯中的氧结合，达到脱除粉末中氧元素目的；采用SPS烧结可有效减少保温时间，从而避免晶粒长大和粗化，使得材料组织中碳化物更加细小、分布更加弥散；最终使得材料具有更加优异的抗弯强度、抗磨损性能与冲击韧性。

本发明一种含钇粉末冶金高速钢，按质量百分比计，其原料组成如下：羰基铁粉80～90wt.％；碳化钨粉3～9wt.％；碳化钼粉2.5～8wt.％；碳化铬粉2～6wt.％；碳化钒粉1～3wt.％；氢化钇粉0.02-0.10wt.％。

本发明中，以羰基铁粉；碳化钨粉；碳化钼粉；碳化铬粉；碳化钒粉；氢化钇粉为高速钢的原料，合金元素W、Mo、Cr、V的碳化物化学性质稳定，高温下也不易与氧发生反应。因此，以碳化物为原料能够有效避免较活泼合金元素的氧化，同时在烧结过程中碳化物颗粒可以作为硬质相，稳定晶界，阻碍晶粒长大，从而得到晶粒细小的组织，而钇一方面自身可以强化晶界，同时由于氢化钇性能活泼，钇元素可以与氧结合生成的稀土氧化物可起到弥散强化作用，从而达到脱除粉末中氧元素目的，并且进一步降低烧结温度。

当然为能使高速钢最终具有高强韧性，优异的抗磨损性能，上述成分的配比关系也很重要，比如说碳化钨，碳化钨粉在烧结过程中会结合Fe以及少量Mo 和Cr等元素形成一定数量的难熔一次碳化物M₆C，提高钢的耐磨性和硬度。并且，在高温固溶后部分碳化物会发生固溶，回火时会以细小弥散的MC碳化物形式析出，决定了钢的红硬性。碳化钨加入过少，容易造成材料硬度降低，降低材料抗磨损性能。又比如说氢化钇加入过量会导致稀土钇在晶界富集析出，降低晶界结合力，导致材料强度降低。

作为优选方案，所述含钇粉末冶金高速钢，按质量百分比计，其原料组成如下：