專利名稱：一種提高噴射成形高速鋼柱狀沉積坯密度的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工領(lǐng)域，涉及到一種提高噴射成形高速工具鋼柱 狀沉積坯體密度的工藝方法。
背景技術(shù)：
該工藝的背景技術(shù)為噴射成形技術(shù)和熱控凝固理論。
噴射成形(Spray Forming)是近年發(fā)展起來的利用快速凝固方法 制備高性能材料的先進(jìn)工藝，該技術(shù)集材料—工藝一零件于一體，不但 制備成本低，而且能夠獲得晶粒細(xì)小且無偏析的內(nèi)部組織，開辟了一條 制備先進(jìn)材料的新途徑。目前，在高科技領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的高溫合金、鈦 合金、超高強(qiáng)度鋼等屬于難加工材料，且對(duì)制備的零件尺寸精度要求高， 使得對(duì)刀具(包括滾刀、銑刀、插齒刀和拉刀等)的性能要求很嚴(yán)，因 此，通過噴射成形開發(fā)高檔工模具材料，已經(jīng)成為提升我國(guó)加工制造水 平的關(guān)鍵。
噴射成形的工藝原理是，在惰性氣體等保護(hù)氣氛下，采用高壓氣體 將熔融金屬破碎成細(xì)小的金屬熔滴，霧化熔滴在飛行過程中通過對(duì)流和 輻射等傳熱方式發(fā)生熱交換，產(chǎn)生程度不同的凝固，這些部分凝固的熔 滴高速撞擊沉積器表面，在沉積器表面附著、鋪展(變形或破碎)、堆積， 逐歩長(zhǎng)大成大塊金屬沉積坯，對(duì)坯體進(jìn)行后續(xù)加工可獲得最終產(chǎn)品。與 通常的工模具材料制備方法相比，具有短流程特點(diǎn)的噴射成形工藝具有 無可比擬的優(yōu)勢(shì)，采用該方法制備高速鋼，不但消除了材料內(nèi)部的碳化 物偏析問題，而且制備工序更少，明顯降低了生產(chǎn)成本，具有極大的經(jīng) 濟(jì)效益。
但是，盡管噴射成形解決了高速鋼偏析和粉末冶金工藝工序復(fù)雜的 缺點(diǎn)，也帶來其它問題，主要是在高速鋼噴射制備過程中，由于受傳熱、 霧化、凝固等因素的影響，加上合金化程度高，凝固區(qū)間大，影響補(bǔ)縮， 很容易在坯體內(nèi)部造成局部顯微疏松，并且沉積坯尺寸越大，產(chǎn)生疏松 的傾向越嚴(yán)重，而這些內(nèi)部疏松給高速鋼后續(xù)的鍛軋加工以及刀具的使 用帶來十分不利的影響。所以，要使噴射成形高速鋼得以廣泛應(yīng)用，首
先必須制備出組織均勻致密的噴射成形沉積坯。研究表明，粉末冶金高 速鋼刀具只有達(dá)到98%理論密度以上時(shí)才能應(yīng)用，而且且隨材料本身致 密程度的提高，刀具切削壽命會(huì)顯著增加。因此，通過工藝途徑來提高 噴射成形高速鋼沉積坯的體密度具有重要意義。然而，國(guó)內(nèi)目前對(duì)于噴 射成形高速工具鋼的研究還處于起步階段。
上海寶鋼研究院的章靖國(guó)等提出了 一項(xiàng)專利(申請(qǐng)?zhí)?br> 200410024855. 4)，即通過噴射成形工藝使高釩高鈷高速鋼獲得超塑性 能的方法。他們的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，高碳高速鋼通過噴射成形后，塑 性提高的效果十分明顯，比常規(guī)鑄錠鍛軋工藝制備的高速鋼提高100% 以上。德國(guó)EWK公司研究表明，噴射成形高速鋼具有高的純潔度和良好 的組織均勻性，接近球狀均勻分布的碳化物使其強(qiáng)度大大超過常規(guī)工具 鋼。
熱控凝固技術(shù)就是通過控制溫度或熱量的輸入將鑄件凝固過程限 制在固相線和液相線的溫度區(qū)間，以獲得無缺陷的枝晶組織。該技術(shù)由 美國(guó)PCC公司提出，目前主要應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中復(fù)雜形狀大尺寸 薄壁構(gòu)件的制備。由于其獨(dú)特的熱控凝固方式，很好的解決了鑄件的充 型、補(bǔ)縮和變形開裂等難題，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，但是該工藝的細(xì)節(jié) 對(duì)外嚴(yán)格保密。盡管如此，熱控凝固的工藝思想也為解決噴射成形高速 工具鋼沉積坯內(nèi)部的疏松等冶金問題提供了 一個(gè)新的思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高噴射成形高速鋼柱狀沉積坯體密 度的工藝方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
(1) 選擇一種高速鋼母合金料；
(2) 將高速鋼母合金料放入霧化沉積設(shè)備熔煉室的真空感應(yīng)爐內(nèi) 加熱至高于合金熔點(diǎn)100 25(TC;
(3) 保溫10 20min，使感應(yīng)爐內(nèi)高速鋼熔體的成分和溫度達(dá)到均 勻一致，然后把合金熔體按照1 3Kg/min的速度倒入已經(jīng)被加熱的中 間包內(nèi)，中間包溫度高于高速鋼熔點(diǎn)100 20(TC;
(4) 在霧化室內(nèi)，以壓力為2 3MPa，純度>99. 9%wt的^氣體 通過霧化噴嘴，把從導(dǎo)流管流出的合金熔體霧化成熔滴，熔滴飛行并沉
積在以50 90轉(zhuǎn)/分鐘速度旋轉(zhuǎn)的沉積器上形成柱狀沉積坯；
(5) 霧化沉積完成后，升高沉積器使沉積坯到霧化噴嘴的距離為 50 100mm，同時(shí)保持沉積坯在沉積器上高速旋轉(zhuǎn)并保持沉積坯與噴嘴 之間距離不變；
(6) 向熔煉室內(nèi)持續(xù)充入壓力為0. 2 0.3MPa、純度〉99. 9%wt 的N2氣體，流經(jīng)中間包時(shí)N2氣體被加熱到約800 100(TC， N/氣體經(jīng)導(dǎo) 流管噴嘴，以10 80L/min流速吹向高速鋼柱狀沉積坯頂部中心附近， 噴吹l 2min后；降低沉積器，并以2 4L/min降低N2壓力，同時(shí)控制 沉積坯頂部表面降溫速率〈5"C/min，當(dāng)沉積器與霧化噴嘴的距離大于 300mm且坯體表面溫度低于70(TC后，停止控溫，隨爐冷卻。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)效果本發(fā)明充分結(jié)合噴射成形與熱控凝固的理論思 想和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在噴射沉積過程的前階段，發(fā)揮了噴射成形能夠短流程 制備無偏析、組織均勻和細(xì)小等軸晶(<20tim)的優(yōu)勢(shì)，使生產(chǎn)出的 高速鋼沉積坯強(qiáng)度高，塑性好，易鍛軋加工；在沉積過程的后階段，即 噴射成形完成后，直接通過設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)(如中間包、霧化噴嘴等) 來控制熱量輸入和散失，改善高速鋼沉積坯易疏松部位的凝固，從而制 備出高質(zhì)量高密度的沉積坯。該工藝不但解決了高速鋼的偏析問題，而 且進(jìn)一步提高了沉積坯致密度，保證后續(xù)精鍛等加工的順利進(jìn)行。
本發(fā)明的最大特點(diǎn)是綜合了噴射成形和熱控凝固的技術(shù)原理，不但 獲得晶粒細(xì)小且無宏觀偏析的內(nèi)部組織，而且減少了沉積坯內(nèi)部的氣孔 和疏松，提高了高速鋼的使用壽命。此外，如果結(jié)合精鍛或熱等靜壓加 工，完全可以實(shí)現(xiàn)短流程工藝生產(chǎn)性能優(yōu)異的新型高速鋼。
具體實(shí)施例方式
(1) 選擇一種高速鋼母合金料；
(2) 將高速鋼母合金料放入霧化沉積設(shè)備熔煉室的真空感應(yīng)爐內(nèi) 加熱至高于合金熔點(diǎn)100 250°C;
(3) 保溫10 20min，使感應(yīng)爐內(nèi)高速鋼熔體的成分和溫度達(dá)到均 勻一致，然后把合金烙體按照1 3Kg/min的速度倒入已經(jīng)被加熱的中 間包內(nèi)，中間包溫度高于高速鋼熔點(diǎn)100 200°C;
(4) 在霧化室內(nèi)通過霧化噴嘴采用2 3MPa的N2 (純度〉99. 9% wt)，把從導(dǎo)流管流出的合金烙體霧化成熔滴，熔滴飛行并沉積在以50
90轉(zhuǎn)/分鐘速度旋轉(zhuǎn)的沉積器上形成柱狀沉積坯；
(5) 霧化沉積完成后，升高沉積器使沉積坯到霧化噴嘴的距離為
50 100鵬，同時(shí)保持沉積坯在沉積器上高速旋轉(zhuǎn)并保持沉積坯與噴嘴 之間距離不變；
(6) 向熔煉室內(nèi)持續(xù)充入壓力為0. 2 0. 3MPa的N2 (純度>99.9 %wt)，流經(jīng)中間包時(shí)N2被加熱到約800 100(TC， N;經(jīng)導(dǎo)流管噴嘴，以 10 80L/min流速吹向高速鋼柱狀沉積坯頂部中心附近，噴吹1 2min 后；降低沉積器，并以2 4L/min降低N2壓力，同時(shí)控制沉積坯頂部表 面降溫速率〈5'C/min，當(dāng)沉積器與霧化噴嘴的距離大于300mm且坯體 表面溫度低于70(TC后，停止控溫，隨爐冷卻。
高合金化材料柱狀沉積坯最后的凝固區(qū)域絕大部分在坯體中心區(qū) 偏上位置，對(duì)應(yīng)于坯體自然冷卻時(shí)的最熱處，該處凝固速度最慢，然而 相比之下，沉積坯的表面層冷卻較快，加上冷卻收縮的原因，導(dǎo)致部分 殘余氣體匯聚到最后凝固區(qū)域，即坯體中心區(qū)偏上位置，形成局部疏松。 通過有針對(duì)性的控制疏松部位的冷卻，明顯可以促進(jìn)補(bǔ)縮，提高坯體密 度。
實(shí)施例一
采用的高速鋼母合金料成分為(Wt%): Cl. 5; W12. 3; Co 4. 66; V 5. 2;
Cr 4. 16; Mo 0. 22;余Fe。
噴射成形主要操作過程是將高速工具鋼母合金料放入真空感應(yīng)爐
內(nèi)，加熱并熔化；在高于合金熔點(diǎn)約18(TC溫度下保溫10min，使感應(yīng) 爐內(nèi)高速鋼熔體的成分和溫度達(dá)到均勻一致；把合金熔體按照一定速度 緩慢倒入己被加熱的中間包內(nèi)，中間包溫度高于高速鋼熔點(diǎn) 10(TC。 在霧化室內(nèi)通過霧化噴嘴采用高壓高純N2把從導(dǎo)流管流出的合金熔體霧 化成細(xì)小的熔滴，其中霧化用N2壓力約2.4MPa，噴射距離約350mm，氣 體/熔體(G/M)比約0.4m'VKg。大量熔滴飛行并沉積在按照一定速度旋 轉(zhuǎn)的沉積器上，最終形成柱狀沉積坯。
控制熱量輸入和冷卻霧化沉積完成后，馬上升高沉積坯到霧化噴 嘴處的距離D"100腿，在熔煉室內(nèi)充入高純&壓力約0. 2MPa，同時(shí)保 持沉積坯在沉積器上高速旋轉(zhuǎn)且D值不變，把N2經(jīng)導(dǎo)流管的噴嘴處按照 --定流速吹向高速鋼柱狀沉積坯頂部的中心部位。A流經(jīng)中間包時(shí)被加熱到約100(TC，該溫度接近高速鋼初烙點(diǎn)。高純N2流噴吹約2min后， 按照10mm/min的速度緩慢下降沉積坯并緩慢降低化壓力，控制沉積坯 頂部表面降溫速率〈5'C/min,當(dāng)坯體表面溫度低于70CTC后，隨爐冷卻。
權(quán)利要求
1.一種提高噴射成形高速鋼柱狀沉積坯密度的工藝方法，其方法步驟是(1)選擇一種高速鋼母合金料；(2)將高速鋼母合金料放入霧化沉積設(shè)備熔煉室的真空感應(yīng)爐內(nèi)加熱至高于合金熔點(diǎn)100～250℃；(3)保溫10～20min，使感應(yīng)爐內(nèi)高速鋼熔體的成分和溫度達(dá)到均勻一致，然后把合金熔體按照1～3Kg/min的速度倒入已經(jīng)被加熱的中間包內(nèi)，中間包溫度高于高速鋼熔點(diǎn)100～200℃；(4)在霧化室內(nèi)，以壓力為2～3MPa，純度＞99.9％wt的N2氣體通過霧化噴嘴，把從導(dǎo)流管流出的合金熔體霧化成熔滴，熔滴飛行并沉積在以50～90轉(zhuǎn)/分鐘速度旋轉(zhuǎn)的沉積器上形成柱狀沉積坯；(5)霧化沉積完成后，升高沉積器使沉積坯到霧化噴嘴的距離為50～100mm，同時(shí)保持沉積坯在沉積器上高速旋轉(zhuǎn)并保持沉積坯與噴嘴之間距離不變；(6)向熔煉室內(nèi)持續(xù)充入壓力為0.2～0.3MPa、純度＞99.9％wt的N2氣體，流經(jīng)中間包時(shí)N2氣體被加熱到約800～1000℃，N2氣體經(jīng)導(dǎo)流管噴嘴，以10～80L/min流速吹向高速鋼柱狀沉積坯頂部中心附近，噴吹1～2min后；降低沉積器，并以2～4L/min降低N2壓力，同時(shí)控制沉積坯頂部表面降溫速率＜5℃/min，當(dāng)沉積器與霧化噴嘴的距離大于300mm且坯體表面溫度低于700℃后，停止控溫，隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料加工領(lǐng)域，涉及到一種提高噴射成形高速工具鋼柱狀沉積坯致密度的工藝方法。本發(fā)明充分結(jié)合噴射成形與熱控凝固的理論思想和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在噴射沉積過程的前階段，發(fā)揮了噴射成形能夠短流程制備無偏析、組織均勻和細(xì)小等軸晶(＜20μm)的優(yōu)勢(shì)，使生產(chǎn)出的高速鋼沉積坯強(qiáng)度高，塑性好，易鍛軋加工；在沉積過程的后階段，即噴射成形完成后，直接通過設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)(如中間包、霧化噴嘴等)來控制熱量輸入和散失，改善高速鋼沉積坯易疏松部位的凝固，從而制備出高質(zhì)量高密度的沉積坯。該工藝不但解決了高速鋼的偏析問題，而且進(jìn)一步提高了沉積坯致密度，保證后續(xù)精鍛等加工的順利進(jìn)行。
文檔編號(hào)B22F3/115GK101185971SQ200710198409
公開日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月11日
發(fā)明者娜 劉, 勇 張, 張國(guó)慶, 周 李, 李正棟, 華 袁, 許文勇 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空材料研究院