[发明专利]一种高弹性模量时效硬化高速钢材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高弹性模量时效硬化高速钢材料及其制备方法，所述高速钢材料，按质量百分比计，其成分组成如下：Co：15～30％；Mo与W的总量：10～20％，其中W含量＜10％；Cr：2～5％；Ni：1～4％；V：1～3％；Mn：1～2％；Nb：0.5～1％；N：0.5～1％，其余为Fe和无法避免的杂质。本发明通过添加Cr、V、Ni和非金属元素N进行固溶强化以及添加氮化物增强颗粒来协同获得高弹性模量时效硬化高速钢材料，本发明制备方法采用粉末冶金法，烧结后，直接固溶‑时效处理即可。本发明所提供的时效硬化高速钢材料弹性模量可提高10～20％，其余力学性能也同步提升。

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及粉末冶金钢铁材料领域，尤其涉及一种高弹性模量时效硬化高速钢材料及其制备方法。

背景技术

钛合金和高温合金在航空航天工业中发挥着不可或缺的作用，需求量日益增加。然而，其为典型的难机加工材料，主要归因于低的导热系数和高的化学活性，使得加工过程效率降低，被加工面光洁度低，刀具消耗量大。目前，钛合金和高温合金的加工刀具常选择传统碳化物高速钢刀具和涂层硬质合金刀具。当选用前者加工时，受其热硬性限制，过热造成刃口材料硬度迅速下降，刀尖发生软化塑性变形无法保持锋利度，迅速被磨损。如选用硬质合金刀具，因其韧性低难以制备成高锋利度薄刃口；并且其抗氧化性能也较差，在高速切削下易发生氧化磨损、崩缺，表面涂层受损而导致刀具快速磨损。

因此，一种能克服上述不足的Fe-Co-Mo系时效硬化高速钢应运而生。时效硬化高速钢是一种通过时效在基体中原位生成细小弥散分布的金属间化合物第二相从而对材料进行强硬化的材料，具有高硬度和较高韧性的同时，拥有导热系数大、抗回火性优异、热硬度高、加工稳定性高、被加工性能好等优点，被认为是一种更适宜加工难加工材料的刀刃具材料。然而此种高速钢弹性模量比传统粉末高速钢低10％～15％，制成截面积一定的刀刃具材料时刚度较低，服役时稳定性不高易变形，故亟需提高其弹性模量。现有技术中主要是通过添加高模量的陶瓷颗粒来形成复合材料，使颗粒均匀分散在基体中从而增加整体的弹性模量。而在钢铁材料领域，主要是通过Ti和B元素原位生成TiB₂增强颗粒以此来提高弹性模量。Ti添加量过低增强效果不明显，Ti含量过高则会对材料后续加工性能产生不利影响，而且钛居高不下的价格会导致成本上升，限制了大范围应用。因而亟需一种成本较低、适合工业大范围生产的提高弹性模量同时又不会降低材料本身性能的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的一个目的是设计开发了一种Fe-Co-Mo/W系高弹性模量时效硬化高速钢材料，其通过添加多种高熔点金属元素如Cr、V、Ni和非金属元素N进行固溶强化以及添加氮化物增强颗粒来协同提高整体的弹性模量；

本发明的另一个目的是提供了一种高弹性模量时效硬化高速钢材料的制备方法，即利用粉末冶金法，将Fe粉、Co粉、Mo粉、W粉、Cr粉等纯金属粉末和金属氮化物粉末球磨混合均匀，依次经压制成形、真空烧结和热处理等工序制得。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明一种高弹性模量时效硬化高速钢材料，所述高速钢材料由钢基体和弥散分布在钢基体中的金属间化合物和氮化物构成，所述氮化物为氮化钒和氮化锰，所述钢基体中固溶有N元素，所述高速钢材料中，N元素的质量分数为0.5～1％。

本发明提供了一种高弹性模量时效硬化高速钢材料，具有金属氮化物以及基体固溶氮，高模量的金属氮化物的均匀分布能提高材料的弹性模量，同时固溶氮能强烈地稳定奥氏体并扩大其相区，改善力学性能，提高强度的同时还不降低塑性，而且还能提高材料的耐腐蚀性能，发明人发现，相对于将其他的金属元素以氮化物，采用氮化钒和氮化锰作为添加氮化物，最终高速钢材料的性能最优。