[发明专利]一种通过金属间化合物和碳化物复合强硬化的高速钢及其制备方法

说明书

本发明涉及一种通过金属间化合物和碳化物复合强硬化的高速钢及其制备方法。该高速钢包括以下质量百分比组分：Co：10～30％，Ni：2～10％，Mo：5～20％，W：3～10％，Ti：2～5％、Nb：1～5％、Cr：1～5％，C：0.8～1.4％，杂质含量低于0.02％，余量为Fe。该高速钢通过金属及炭黑等粉料压制成型、烧结、热变形和热处理等工艺制得，该高速钢内部包含金属间化合物和碳化物，两者的协同作用不仅赋予高速钢优异的高温机械性能，而且大幅提升高速钢的耐磨性，相较于热作模具钢更适用于铝合金挤压的高温易磨损工况，具有较高的工业应用价值。

技术领域

本发明涉及一种高速钢，具体涉及一种通过金属间化合物和碳化物复合强硬化高速钢及其制备方法，属于铝合金挤压技术领域。

背景技术

科技的发展和国民经济进步对材料提出更高的要求，铝合金由于其高的比强度和出色的耐蚀性备受推崇，已成为仅次于钢材的第二大金属材料，广泛应用于机械、建筑、交通、航空、化工和食品等领域。其中，形状复杂、精度高、壁薄且美观轻巧的铝合金挤压管材、型材更是诸多重要领域的首选。近年来，我国铝挤压型材的产量和消耗已经跃居世界第一，成为铝挤压型材的生产大国。权威统计，2016年，全世界铝加工材产销量均超过5000万吨，其中铝合金挤压材的产销量超过2000万吨，占铝材总产销量的40％以上。铝合金挤压材市场日渐庞大的同时，产品精细化、复杂化和规格化的需求日渐强烈，这也对铝合金挤压工艺和挤压耗材的质量提出更高的要求。我国铝加工材的产量跃居第一的同时带来了挤压耗材的大量消耗，当前我国铝合金加压材的产量超过上千万吨，带来挤压耗材消耗超过100万套，优化挤压模具材料和设计来提高铝加工材质量和降低加工成本的需求迫在眉睫。

铝材挤压过程，金属流变和挤压过程的剧烈摩擦导致坯料温度高达600℃左右，恶劣严苛的工况对挤压模具提出更高的要求。传统热作模具钢基于碳化物析出二次硬化的机理所获得材料硬化峰值的对应温度为560～580℃，而过回火硬度急剧降低，限制其在更高温度下的应用。此外，热处理和长期热工况下会产生表面脱碳、热裂和疲劳强度下降等问题，进一步制约着热作模具钢在铝合金挤压中的服役寿命。热作模具钢材冶金质量提升、模具制造品质控制和模具表面改性处理等改进虽能有效提高模具使用寿命，提高生产效率。但面对特种铝合金挤压材和超精密型材等特异功能和特殊用途的的挤压产品，热作模具钢性能不足的固有问题则难以胜任产品的高质量要求，需要特殊的加工设备和工模具材料的突破来支撑。考虑到铝合金挤压过程中的高温恶劣工况，挤压模具材料应兼具高的强韧性、出色的红硬性、好的耐磨性和优异的冷热疲劳性能，以保障长期高温交变应力载荷下模具的使用寿命。

专利CN111793773A公开了一种通过Laves相及μ相复合强硬化的无碳高速钢，通过原位沉淀生成细小、弥散分布的金属间化合物来实现强硬化。原位生成的析出相扩散激活能高，热稳定性好，材料具备优异的抗回火能力及热硬性。此外，无碳高速钢中合金元素成分的变化可大幅调整材料整体强度和韧性值。金属间化合物强硬化高速钢高的强韧性、出色的红硬性和热硬性特征有望满足铝合金挤压过程的连续高温工况。但金属间化合物原位析出导致的硬化是由析出相和基体产生强烈共格应变产生。尽管金属间化合物具有出色的硬度，但相较于硬质碳化物而言，其硬度水平难以完美充当硬质耐磨相满足易磨损工况需求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的旨在提供一种原位析出金属间化合物和碳化物复合强化的高速钢。该高速钢利用金属间化合物和碳化物的协同作用，既保障了高速钢出色的高温性能，又提升了材料的耐磨性，相较于传统钢材在高温工况下有着更佳的性能表现。

本发明的第二个目的旨在提供一种原位析出金属间化合物和碳化物复合强化的高速钢的制备方法。该方法可以利用少量游离碳原位生成少量碳化物，再耦合原位生成的金属间化合物实现材料的复合强化，且该方法工艺流程简便易行，且成本低廉，可重复性强，适合大规模工业化生产。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：