專利名稱：一種噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法，屬于金屬材料成型技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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)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。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，逐步長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。與粉末冶金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)?！の覈钠?、航空、航天及裝備制造等產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段，正逐步由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。先進(jìn)航空、航天、汽車產(chǎn)品要求零部件具有更優(yōu)異性能、更低成本更高環(huán)保性，而加工工藝要求具有更快加工速度、更高可靠性、高重復(fù)精度可再現(xiàn)性。我國現(xiàn)有的工模具材料以熔鍛工藝為主，由于受熔煉工藝的限制，合金化程度低、碳化物粗大、偏析嚴(yán)重、分布不均勻，耐磨、沖擊和切削等性能水平偏低，盡管其存在成本低廉的優(yōu)勢(shì)，但難以滿足高速高效加工及難加工材料的要求，只適用于中低端產(chǎn)品。粉末冶金高速鋼無碳化物偏析且碳化物細(xì)小，抗彎強(qiáng)度是傳統(tǒng)高速鋼的2倍以上，耐磨性和高溫硬度均大幅度提高，廣泛用于大模數(shù)重載切削滾刀等關(guān)鍵刀具、模具和關(guān)鍵部件。我國是世界上高速鋼生產(chǎn)大國，但包括粉末冶金高速鋼在內(nèi)的高性能高速鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)與國際先進(jìn)水平存在明顯差距，還主要依賴于進(jìn)口，價(jià)格較高。從粉末冶金高速鋼在國外的發(fā)展情況來看，隨著加工制造業(yè)向中國的轉(zhuǎn)移，以及國內(nèi)自身在加工裝備技術(shù)方面的發(fā)展，粉末冶金高速鋼工模具的應(yīng)用市場(chǎng)也會(huì)加速向中國集中和發(fā)展，行業(yè)預(yù)測(cè)的年需求增長率將在15 30%之間。現(xiàn)階段國內(nèi)外主要采用粉末冶金工藝及鑄鍛工藝制備高釩模具鋼，粉末冶金工藝復(fù)雜，流程較長，成本較高，氧含量也較高，限制了其應(yīng)用。而鑄鍛工藝生產(chǎn)的高釩模具鋼偏析嚴(yán)重，碳化物粗大，性能較差，很難制備出大尺寸的母材。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的狀況而設(shè)計(jì)提供了一種噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法，其目的是提出了一種制備高質(zhì)量大尺寸高釩模具鋼的新工藝，避免了大尺寸高釩模具鋼碳化物偏析嚴(yán)重的缺陷，減少了加工工序，降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的該種噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法，其特征在于該方法的步驟是
(I)選擇的高釩模具鋼母合金中釩元素的重量百分比為8 20% ；( 2 )將母合金放入霧化沉積爐熔煉室的真空感應(yīng)熔煉坩堝內(nèi)，對(duì)霧化沉積爐熔煉室和沉積室抽真空，真空度< 20Pa ；(3)送電加熱母合金至高于其熔點(diǎn)80 100°C，保溫20 30min，使感應(yīng)熔煉坩堝內(nèi)合金液的成分充分均勻，向霧化沉積爐熔煉室和沉積室內(nèi)充入壓力為O. I O. 2MPa的高純氬氣，氬氣純度> 99. 999% wt, O2 < 2ppm，充氣后霧化沉積爐熔煉室和沉積室壓力為
0.95、. 98MPa ；(4)將合金液按照15 30kg/min的速度倒入已經(jīng)被加熱的中間包系統(tǒng)，中間包系統(tǒng)預(yù)熱溫度> 1200°C，當(dāng)合金液流出導(dǎo)流管下端后Hs后，開啟氮?dú)怆p噴嘴的閥門，用一路噴嘴噴出的高純氮?dú)鈱?duì)合金液進(jìn)行穩(wěn)流，噴嘴噴出的高純氮?dú)獾膲毫镺. 3 O. 7MPa，同時(shí)用另一路噴嘴噴出的高純氮?dú)鈱?duì)合金液進(jìn)行掃描霧化，噴嘴噴出的高純氮?dú)獾膲毫?1.O I. 5MPa，氮?dú)饧兌?gt; 99. 999% wt,02 < 2ppm，把合金液霧化成熔滴，熔滴飛行并在沉積器上形成柱狀沉積坯，沉積器的直徑為25(T500mm ；(5)霧化沉積過程中，保持沉積坯的最頂端沉積部位與掃描霧化的噴嘴中心點(diǎn)之間距離保持不變；(6)霧化沉積結(jié)束后，迅速降低沉積器，同時(shí)啟動(dòng)霧化沉積爐的真空系統(tǒng)，對(duì)霧化沉積爐熔煉室和沉積室抽真空，真空度< 20Pa，沉積坯溫度低于70(TC后，停止抽真空，隨爐冷卻；(7)沉積坯從沉積室取出后，立即進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火熱處理制度為隨爐升溫至63(T660°C，保溫2h，隨爐冷卻；(8)對(duì)沉積坯進(jìn)行鍛造，得到直徑大于150mm的大尺寸高釩模具鋼母材。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明技術(shù)方案充分結(jié)合噴射成形快速凝固的理論思想和技術(shù)特點(diǎn)。在噴射沉積過程中制備無偏析、組織均勻和細(xì)小等軸晶的大尺寸高釩模具鋼，使生產(chǎn)出的大尺寸高釩模具鋼沉積坯強(qiáng)度高，塑性好，易鍛軋加工；通過后續(xù)的熱等靜壓和鍛造，鍛成最終尺寸的坯件。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例采用本發(fā)明所述噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法，其特征在于該方法的步驟是(I)選擇的高釩模具鋼母合金的化學(xué)成分及重量百分比為C 2. 5% ；V 9. 8% ；Cr5. 0% ；Mo I. 3% ;余量為 Fe ； (2)將母合金放入霧化沉積爐熔煉室的真空感應(yīng)熔煉坩堝內(nèi)，對(duì)霧化沉積爐熔煉室和沉積室抽真空，真空度< 20Pa ；(3)送電加熱母合金至高于其熔點(diǎn)80 100°C，保溫20 30min，使感應(yīng)熔煉坩堝內(nèi)合金液的成分充分均勻，向霧化沉積爐熔煉室和沉積室內(nèi)充入壓力為O. I O. 2MPa的高純氬氣，氬氣純度> 99. 999% wt, O2 < 2ppm，充氣后霧化沉積爐熔煉室和沉積室壓力為O. 95、. 98MPa ；
(4)將合金液按照15 30kg/min的速度倒入已經(jīng)被加熱的中間包系統(tǒng)，中間包系統(tǒng)預(yù)熱溫度> 1200°C，當(dāng)合金液流出導(dǎo)流管下端后Hs后，開啟氮?dú)怆p噴嘴的閥門，用一路噴嘴噴出的高純氮?dú)鈱?duì)合金液進(jìn)行穩(wěn)流，噴嘴噴出的高純氮?dú)獾膲毫?.3 0.7MPa，同時(shí)用另一路噴嘴噴出的高純氮?dú)鈱?duì)合金液進(jìn)行掃描霧化，噴嘴噴出的高純氮?dú)獾膲毫?.0 1.5MPa，氮?dú)饧兌?gt; 99. 999% wt,02 < 2ppm，把合金液霧化成熔滴，熔滴飛行并在沉積器上形成柱狀沉積坯，沉積器的直徑為25(T500mm ；(5)霧化沉積過程中，保持沉積坯的最頂端沉積部位與掃描霧化的噴嘴中心點(diǎn)之間距離保持不變；(6)霧化沉積結(jié)束后，迅速降低沉積器，同時(shí)啟動(dòng)霧化沉積爐的真空系統(tǒng)，對(duì)霧化沉積爐熔煉室和沉積室抽真空，真空度< 20Pa，沉積坯溫度低于70(TC后，停止抽真空，隨爐冷卻；(7)沉積坯從沉積室取出后，立即進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火熱處理制度為隨爐升溫至63(T660°C，保溫2h，隨爐冷卻；(8)對(duì)沉積坯進(jìn)行鍛造，得到直徑大于150mm的大尺寸高釩模具鋼母材。本發(fā)明技術(shù)方案提出了一種制備高質(zhì)量大尺寸高釩模具鋼的新工藝，避免了大尺寸高釩模具鋼碳化物偏析嚴(yán)重的缺陷，減少了加工工序，降低了氧含量及生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.一種噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法，其特征在于該方法的步驟是 (1)選擇的高釩模具鋼母合金中釩元素的重量百分比為8 20%； (2)將母合金放入霧化沉積爐熔煉室的真空感應(yīng)熔煉坩堝內(nèi)，對(duì)霧化沉積爐熔煉室和沉積室抽真空，真空度< 20Pa ； (3)送電加熱母合金至高于其熔點(diǎn)80 100°C，保溫20 30min，使感應(yīng)熔煉坩堝內(nèi)合金液的成分充分均勻，向霧化沉積爐熔煉室和沉積室內(nèi)充入壓力為O. I O. 2MPa的高純氬氣，氬氣純度> 99. 999% wt, O2 < 2ppm，充氣后霧化沉積爐熔煉室和沉積室壓力為.0.95、. 98MPa ； (4)將合金液按照15 30kg/min的速度倒入已經(jīng)被加熱的中間包系統(tǒng)，中間包系統(tǒng)預(yù)熱溫度> 1200°C，當(dāng)合金液流出導(dǎo)流管下端后Hs后，開啟氮?dú)怆p噴嘴的閥門，用一路噴嘴噴出的高純氮?dú)鈱?duì)合金液進(jìn)行穩(wěn)流，噴嘴噴出的高純氮?dú)獾膲毫镺. 3 O. 7MPa，同時(shí)用另一路噴嘴噴出的高純氮?dú)鈱?duì)合金液進(jìn)行掃描霧化，噴嘴噴出的高純氮?dú)獾膲毫?1.O I. 5MPa，氮?dú)饧兌?gt; 99. 999% wt,02 < 2ppm，把合金液霧化成熔滴，熔滴飛行并在沉積器上形成柱狀沉積坯，沉積器的直徑為25(T500mm ； (5)霧化沉積過程中，保持沉積坯的最頂端沉積部位與掃描霧化的噴嘴中心點(diǎn)之間距離保持不變； (6)霧化沉積結(jié)束后，迅速降低沉積器，同時(shí)啟動(dòng)霧化沉積爐的真空系統(tǒng)，對(duì)霧化沉積爐熔煉室和沉積室抽真空，真空度< 20Pa，沉積坯溫度低于70(TC后，停止抽真空，隨爐冷卻； (7)沉積坯從沉積室取出后，立即進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火熱處理制度為隨爐升溫至630^660 0C，保溫2h，隨爐冷卻； (8)對(duì)沉積坯進(jìn)行鍛造，得到直徑大于150mm的大尺寸高釩模具鋼母材。
全文摘要
本發(fā)明是一種噴射成形工藝制備大尺寸高釩模具鋼的方法，本發(fā)明方法充分利用噴射成形快速凝固工藝，使高釩模具鋼具有細(xì)小晶粒組織，沒有宏觀偏析，再通過后續(xù)的鍛造等熱加工工藝制備出大尺寸高釩模具鋼坯件。坯件直徑可達(dá)到250~500mm，且具有高強(qiáng)度，塑性好，易鍛軋加工等特點(diǎn)，該方法工藝解決了常規(guī)鑄鍛大尺寸高釩模具鋼的宏觀偏析造成的熱加工困難問題，而且進(jìn)一步提高了合金的綜合性能并降低了成本。
文檔編號(hào)B22F3/115GK102873329SQ201210387919
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者張國慶, 袁華, 李周, 許文勇, 劉娜, 高正江 申請(qǐng)人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院