專利名稱:一種純凈化制備雙掃描噴射成形高速鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于材料加工領(lǐng)域。涉及一種純凈化制備雙掃描噴射成形高 速鋼的方法。
背景技術(shù):
噴射成形工藝過程主要由合金熔液霧化、熔滴飛行與冷卻、沉積坯 生長(zhǎng)三個(gè)連續(xù)過程構(gòu)成。合金熔體在導(dǎo)流管末端,被霧化氣流破碎成大 量尺、J-在幾微米 幾l'l微米之間的細(xì)小熔滴,熔滴在高速氣流作用下加 速,同時(shí)與氣流進(jìn)行快速熱交換(冷卻速率高達(dá)10:' 10VS)。由于冷 速的不同,到達(dá)沉積坯前小于某一臨界尺寸的熔滴冷凝成固體顆粒,較 大尺寸的可能仍為液態(tài),處于中間尺寸的熔滴則為含有一定液相的半凝 固顆粒。這無(wú)數(shù)個(gè)凝固程度不同的熔滴,高速撞擊沉積器表面,在沉積 器表面附著、堆積、鋪展、熔合形成一個(gè)薄的半液態(tài)層并順序凝固結(jié)晶, 逐歩沉積成一個(gè)大塊致密的金屬坯體。因此,噴射成形是把液態(tài)金屬的 霧化(快速凝固)和霧化熔滴的沉積(動(dòng)態(tài)致密固化)結(jié)合在一步冶金操 作中完成,不但減少工序,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效應(yīng),而且組織均勻,提高 材料性能。
噴射成形工藝的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是制備出的材料晶粒細(xì)小,組織十 分均勻。在霧化過程中,熔滴中熔質(zhì)原子的擴(kuò)散和偏聚被限制在金屬熔 滴的微小尺寸范圍內(nèi)。在沉積過程中,由于冷卻速度較快且沉積坯表面 處于半凝固狀態(tài),溶質(zhì)原子來(lái)不及擴(kuò)散與偏聚,部分金屬熔滴快速冷凝 生成細(xì)小的枝晶組織,其余尺寸較大的不同凝固狀態(tài)的霧化熔滴高速撞 擊在沉積坯表面后,內(nèi)部凝固成的枝晶絕大部分被破碎,形成許多晶粒 凝固核心(即晶核),然后沉積坯發(fā)生緩慢的高溫退火過程,生成由等 軸晶組成的均勻的內(nèi)部組織。因而,噴射成形材料無(wú)宏觀偏析(即使微 觀偏析程度也較低),特別有利于制備易偏析的高合金化材料,如高速 鋼、工具鋼、模具鋼等。
在噴射成形過程中,金屬熔滴的霧化是在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行的,
且時(shí)間很短( -般為10"秒),因此被氧化的程度很低。與傳統(tǒng)粉末冶金
3工藝相比,由于減少了貯藏、運(yùn)輸、篩分、包套、壓制等多道工序,大 大縮短了生產(chǎn)周期,材料利用率高,經(jīng)濟(jì)效益顯著,有利于工業(yè)生產(chǎn)。 有人研究認(rèn)為,制備成同樣的材料,噴射成形的成本比傳統(tǒng)粉末冶金工
藝可降低約30%。
利用噴射成形的快速凝固特點(diǎn),可以解決傳統(tǒng)工藝方法制備合金中 較易出現(xiàn)的偏析、 一次碳化物粗大、熱加工性差等問題。上海寶鋼研究 院申請(qǐng)的專利《一種使高釩高鈷高速鋼獲得超塑性性能的方法》(申請(qǐng) 號(hào)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。用噴射成形方法后,具有超塑性性能且添加昂貴金屬的高釩高 鈷高速鋼可以實(shí)現(xiàn)--次成形形狀較復(fù)雜的刀具和模具,大大減少了材 料、能源和時(shí)間的消耗。他們采用一種高速鋼進(jìn)行試驗(yàn)表明,噴射成形 高速鋼的超塑性溫度范圍寬,且在較高的應(yīng)變速率(1X10—'S—1)下,仍 有100%以上的高溫拉伸延伸率,在同樣條件下遠(yuǎn)高于常規(guī)鑄錠鍛軋工 藝制備的高速鋼的塑性,但是,采用此方法成型制備的高速鋼其內(nèi)部的
本發(fā)明的目的是提出一種使高速鋼內(nèi)部的夾雜物含量降低的一種 純凈化制備雙掃描噴射成形高速鋼的方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是,
(1) 在10-3Pa真空氣氛中熔化并精練后的高速鋼鋼液,在傾倒入 中間包時(shí),采用氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷過濾器過濾鋼液,鋼液噴射 成形前,對(duì)熔煉室和霧化室進(jìn)行洗氣操作,即將高速鋼母合金料放入真 空感應(yīng)爐內(nèi)加熱,并在合金料熔化前,采用機(jī)械泵和增壓泵對(duì)熔煉室和 霧化室抽真空,真空度低于10—:iPa,關(guān)閉各真空閥,向熔煉室和霧化室 內(nèi)充入N,99. 9%wt, 0入2ppm的高純氮?dú)?,?dāng)壓力接近latm后,抽真 空,真空度低于10-3Pa,重復(fù)操作三次;
(2) 向熔煉室和霧化室內(nèi)充入N,99.9y。wt, 02〈2ppm的高純氮?dú)猓?氣體壓力接近latm;
(3) 把精煉均勻的高速鋼鋼液按每分鐘50公斤的速度緩慢倒入己 加熱的中間包內(nèi),鋼液經(jīng)中間包過濾,通過導(dǎo)流管,將鋼液在霧化噴嘴 處以壓力70atm、純度化〉99. 9%wt, Oz<2ppm的氮?dú)忪F化成熔滴,熔滴 沉積在沉積器上形成沉積坯;
發(fā)明內(nèi)容(4) 當(dāng)霧化沉積完成后,把霧化室和熔煉室抽真空,使高溫沉積
坯處于真空狀態(tài),真空度低于10-2Pa。
(5) 當(dāng)沉積坯溫度低于200。C, nj以破真空,取出沉積坯。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果本發(fā)明充分結(jié)合噴射成形工藝與純凈化技術(shù)
的優(yōu)點(diǎn)。在噴射沉積的每一步操作中,都設(shè)計(jì)并采取了各種有效措施減 少有害的陶瓷顆粒和氧化物的混入、降低氣體(主要是氧)等不利元素 的含量。包括鋼液熔化前對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行洗氣操作;噴射成形過程中對(duì)鋼液 進(jìn)行過濾;沉積完成后保持霧化室的真空狀態(tài)等,都盡可能的減少了夾 雜物混入高速鋼和在高速鋼中生成的機(jī)會(huì)。該工藝不但通過噴射成形獲 得晶粒細(xì)小且無(wú)宏觀偏析的內(nèi)部組織,解決了高速鋼的偏析問題,而且 提高了高速鋼的純凈度,提高了質(zhì)量,延長(zhǎng)了使用壽命。經(jīng)過合適的熱 處理后,最終使生產(chǎn)出的噴射成形高速鋼夾雜物少,塑性好,質(zhì)量高, 易鍛軋加工。與傳統(tǒng)粉末冶金高速鋼相比,由于制備工序更少,噴射成 形高速鋼的成本明顯降低。研究表明,高速鋼的抗彎強(qiáng)度與極限缺陷直 徑的平方根成反比,因此消除內(nèi)部大尺寸的夾雜物成為提高高速鋼強(qiáng)度 和質(zhì)量的根本途徑之一。經(jīng)過熱處理后,所有高速鋼都主要由兩種基本 成分組成---種是碳化物(碳化鎢、碳化鉬或碳化釩等),它使刀具具備 良好的耐磨性;另一種是分布在碳化物周圍的回火馬氏體鋼基體,使刀 具具有較好的韌性和防止碎裂的能力。如果硬度高的碳化物在相對(duì)硬度 較低、韌性高的鋼基體上分布不均勻,會(huì)直接導(dǎo)致制成的刀具和模具壽 命縮短,而雙掃描噴射成形高速鋼內(nèi)部的碳化物在高速鋼內(nèi)部分布十分 均勻,因此,材料的耐磨性更好,使用壽命更長(zhǎng)。此外,目前國(guó)際上對(duì) 高速鋼的純凈度越來(lái)越重視,甚至把夾雜物(各種陶瓷顆粒,氧、硫、 磷等的含量)的含量多少作為評(píng)定粉末高速鋼優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。但是,我國(guó) 高速鋼標(biāo)準(zhǔn)中,目前只規(guī)定碳化物的不均勻度,并未對(duì)夾雜物規(guī)定檢驗(yàn) 條款。本發(fā)明從制備工藝上采取各種措施大幅度減少夾雜物,特別是大
尺寸夾雜物(〉50ym)的數(shù)量,可以明顯提高噴射成形高速鋼的韌性、 抗彎強(qiáng)度和疲勞極限。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟 (1)采用高純氮?dú)庾鳛槿蹮挶Wo(hù)性氣體和霧化氣體;在真空感應(yīng)
5熔煉爐內(nèi)的高速鋼母合金熔化前,熔煉室和霧化室的洗氣操作采用高純
氮?dú)?N2>99.9%wt, 02<2ppm)。并采用高純氮?dú)庾鳛閲娚涑尚胃咚黉摰撵F化氣體。采用N,'不但降低成本,而且氮元素可以與高速鋼一些成分生成有益相,提高沉積坯的致密度;
(2) 鋼液噴射成形前,對(duì)熔煉室和霧化室進(jìn)行洗氣操作;將高速鋼母合金料放入真空感應(yīng)爐內(nèi)加熱,并在合金料熔化前,采用機(jī)械泵和增壓泵對(duì)熔煉室和霧化室抽真空,真空度低于10—'Pa,關(guān)閉各真空閥,向兩室內(nèi)充入高純氮?dú)?,?dāng)壓力接近lat.m后,抽真空,真空度低于10 —'Pa,重復(fù)操作至少三次;
(3) 采用部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷過濾器過濾鋼液;在高真空氣氛中熔化并精練后的高速鋼鋼液,在傾倒入中間包時(shí),采用部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷過濾器過濾鋼液;
(4) 真空熔煉;采用真空熔煉工藝,真空度低于l(TPa;在進(jìn)行噴射成形前,向熔煉室和霧化室內(nèi)充入高純氮?dú)?,氣體壓力接近latm;
(5) 高速鋼噴射成形制備;高速鋼鋼液按一定速度緩慢倒入已被
加熱好的中間包內(nèi),鋼液經(jīng)中間包過濾,通過導(dǎo)流管,在霧化噴嘴被高
壓高純N2霧化成大量細(xì)小的熔滴,熔滴高速飛行并沉積在沉積器上形成沉積坯;
(6) 當(dāng)噴射成形完畢后,霧化室內(nèi)抽真空。當(dāng)霧化沉積完成后,
采用機(jī)械泵和羅茨泵把霧化室和烙煉室抽成真空狀態(tài)。實(shí)施例
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。放入合金料的重量多少由坩堝大小決定。
噴射成形制備純凈化高速鋼的主要操作過程是將高速鋼母合金料
放入雙噴掃描霧化噴射成形設(shè)備的真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi),給電,加熱,在高速鋼熔化前,采用機(jī)械泵和增壓泵對(duì)熔煉室和霧化室抽真空,真空度
低于10"Pa,關(guān)閉各真空閥,向兩室內(nèi)充入高純氮?dú)?,?dāng)壓力接近latm后,抽真空,真空度低于l(TPa;在母合金熔化前,采用高純氮?dú)?N2>99.9%, 02<2ppm)對(duì)熔煉室和霧化室進(jìn)行洗氣操作,重復(fù)三次,抽真空(低于10—:''Pa);同時(shí)把高純氮?dú)庾鳛閲娚涑尚胃咚黉摰撵F化氣體。采用隊(duì)不但降低成本,而且元素氮可以與高速鋼一些成分生成有益相,提高沉積坯的致密度和強(qiáng)度;在真空氣氛中熔化并精練后的高速鋼鋼液在傾倒入中間包時(shí),采用部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷過濾器過濾鋼液;在進(jìn)行噴
射成形前,向熔煉室和霧化室內(nèi)充入高純氮?dú)?,氣體壓力接近latm;進(jìn)
行高速鋼噴射成形制備,把鋼液按一定速度緩慢倒入已被加熱好的中間包內(nèi),鋼液經(jīng)中間包過濾,通過導(dǎo)流管,在霧化噴嘴被高壓高純化霧化成大量細(xì)小的熔滴,熔滴高速6行并沉積在沉積器上形成沉積坯。霧化完成后,通過機(jī)械泵和羅茨泵把霧化室和熔煉室抽成真空氣氛。
權(quán)利要求
1.一種純凈化制備雙掃描噴射成形高速鋼的方法,其制備方法是,(1)在10-3Pa真空氣氛中熔化并精練后的高速鋼鋼液,在傾倒入中間包時(shí),采用氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷過濾器過濾鋼液,鋼液噴射成形前,對(duì)熔煉室和霧化室進(jìn)行洗氣操作,即將高速鋼母合金料放入真空感應(yīng)爐內(nèi)加熱,并在合金料熔化前,采用機(jī)械泵和增壓泵對(duì)熔煉室和霧化室抽真空,真空度低于10-3Pa,關(guān)閉各真空閥,向熔煉室和霧化室內(nèi)充入N2>99.9%wt,O2<2ppm的高純氮?dú)?,?dāng)壓力接近1atm后,抽真空,真空度低于10-3Pa,重復(fù)操作三次;(2)向熔煉室和霧化室內(nèi)充入N2>99.9%wt,02<2ppm的高純氮?dú)?,氣體壓力接近1atm;(3)把精煉均勻的高速鋼鋼液按每分鐘50公斤的速度緩慢倒入已加熱的中間包內(nèi),鋼液經(jīng)中間包過濾,通過導(dǎo)流管,將鋼液在霧化噴嘴處以壓力70atm、純度N2>99.9%wt,O2<2ppm的氮?dú)忪F化成熔滴,熔滴沉積在沉積器上形成沉積坯;(4)當(dāng)霧化沉積完成后,把霧化室和熔煉室抽真空,使高溫沉積坯處于真空狀態(tài),真空度低于10-2Pa;(5)當(dāng)沉積坯溫度低于200℃,可以破真空,取出沉積坯。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料加工領(lǐng)域,涉及一種純凈化制備雙掃描噴射成形高速鋼的方法。首先在真空氣氛中熔化并精練后的高速鋼鋼液,采用氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷過濾器過濾鋼液,鋼液噴射成形前,對(duì)熔煉室和霧化室進(jìn)行洗氣操作,再向熔煉室和霧化室內(nèi)充入高純氮?dú)?,氣體壓力接近1atm;把精煉均勻的高速鋼鋼液緩慢倒入已加熱的中間包內(nèi),鋼液經(jīng)中間包過濾,通過導(dǎo)流管,將鋼液霧化成熔滴,熔滴沉積在沉積器上形成沉積坯。當(dāng)沉積坯溫度低于200度,取出沉積坯。本發(fā)明在噴射沉積的每一步操作中,減少有害的陶瓷顆粒和氧化物的混入、降低氣體等不利元素的含量,不但解決了高速鋼的偏析問題,而且提高了高速鋼的純凈度。
文檔編號(hào)B22F3/115GK101559490SQ200910130880
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者娜 劉, 勇 張, 張國(guó)慶, 周 李, 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