[发明专利]一种中熵高速钢组织中获得弥散碳化物的制造方法

说明书

本发明提供了一种中熵高速钢组织中获得弥散碳化物的制造方法，属于金属材料制造领域，制造方法包括以下步骤：先将中熵高速钢先在1180～1230℃的温度区间进行淬火处理，然后在480～520℃下进行2～3次回火处理，中熵高速钢最终热处理组织为马氏体基体上弥散分布硬质碳化物，显微硬度达到820HV以上，能够解决传统高速钢因粗大网状碳化物引起的后序制造过程中裂纹萌生和脆性断裂等难加工问题。该中熵高速钢成分不仅含C、W、Mo等强碳化物形成元素，还需调节合金元素Cr、V、Co、Ni、Al、Cu以及基体元素Fe的添加含量以使合金熵值设定在1.0R～1.2R之间；特别适用于熔铸、熔炼或喷射成形等方法制备具有高硬度、高韧性等较高综合性能要求的高速钢刃具和模具等应用领域。

技术领域

本发明涉及金属材料制造技术领域，具体涉及一种中熵高速钢组织中获得弥散碳化物的制造方法。

背景技术

高速钢是一种含大量强碳化物形成元素(C、W、Mo)的高硬度、高耐磨高性能工具钢，其硬质碳化物类型主要包括：MC(2100-2800HV)、M₂C(1800-2250HV)、M₆C(1800-2250HV)和M₇C₃(1890-2060HV)等。其中，MC作为先共晶相可呈颗粒状弥散分布在马氏体基体中，其它类型碳化物均为共晶反应产物呈网状分布在后凝固的枝晶间区域。这类粗大网状一次碳化物在后续锻造、热处理过程难以消除，容易引起应力集中，使得加工过程产生裂纹，严重影响高速钢的寿命。为了获得弥散分布硬质碳化物(特别是高硬度MC相)，有研究采用热处理或添加少量合金元素等方法促进网状亚稳相M₂C高温分解成弥散MC，分解机制为M₂C+Fe(γ)→M₆C+MC，但效果均不显著。例如，研究发现添加钒是最有利于促进凝固过程中MC形核、M₂C高温分解的合金元素，但V含量添加过高会导致凝固组织中形成大量奥氏体，降低了材料硬度，添加不足则碳化物仍呈网状分布。

通过添加大量合金元素改善高速钢性能的研究也有报道。中国专利CN104271775A公开了一种几乎涵盖元素周期表所有元素的高速工具钢成分，该钢种为韧贝氏体组织，但未涉及改善高速钢中网状碳化物生长形貌的方法和成分设计方案。中国专利CN107513670A提出了一种添加多组元合金元素以提升高速钢抗氧化磨损性能的方法，研究发现在常规C-W-Mo系高速钢中添加一定量Cr、V、Co、Al、Ni、Cu、Ti等元素后，合金仍然具有较高的硬度和马氏体加碳化物的高速钢典型组织特征，且Cr、Co、Al等元素的添加可提高多组元高速钢的抗氧化磨损性能。可见，高速钢成分已有采用添加少量或大量合金元素改善热处理组织和热磨损、抗氧化等特定性能的报道。但是，均未能提出消除凝固组织中网状一次碳化物，在最终热处理组织中获得完全弥散分布碳化物的成分与制造工艺方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中熵高速钢组织中获得弥散碳化物的制造方法。所述中熵高速钢成分不仅含有传统高速钢中常规添加的C、W、Mo等强碳化物形成元素，还需调节Cr、V、Co、Ni、Al、Cu等合金元素以及基体元素Fe的添加含量以使合金熵值设定在1.0R～1.2R之间。所述中熵高速钢经处理后，组织为马氏体基体上弥散分布硬质碳化物，显微硬度达到820HV以上，且具有与传统高速钢相比更优异的抗裂纹萌生性能。

为了在最终热处理组织中获得弥散分布的硬质碳化物，本发明公开了一种利用中熵效应促进凝固组织中网状一次碳化物高温分解获得弥散碳化物分布的技术手段，分解机制为：M₂C+Fe(γ)→M₆C+MC，中熵效应可极大提高了该反应发生的热力学驱动力。因此，能够通过简单热处理获得传统高速钢研制难以获得的完全弥散硬质碳化物分布。借鉴中熵合金其熵值一般设定在1.0R～1.5R之间的已有定义，本发明将所公开的高速钢定义为中熵高速钢。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：