一種氧化鋁-碳化硅晶須增強冷作模具鋼材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于模具鋼材料領(lǐng)域，特別是一種氧化鋁?碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料的制備方法。通過氮氣、二氧化碳將氧化鋁?碳化硅晶須反應(yīng)前驅(qū)體粉末吹入真空熔煉爐中的WCrMoV熔體中，在吹入的過程中引發(fā)自蔓延燃燒合成反應(yīng)，得到納米氧化鋁?碳化硅晶須、以及少量的碳和硅，再經(jīng)過機械化混合攪拌、變質(zhì)處理、精煉、澆注，即獲得氧化鋁?碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料。增強納米晶須直徑尺寸細(xì)小，分布均勻，組織穩(wěn)定性高，表面無污染，與在WCrMoV基體結(jié)合良好。材料的室溫力學(xué)性能和耐磨性能顯著提高，尤其適合于冷作模具合金鋼、鉆頭、刀具等方面的應(yīng)用。
【專利說明】
一種氧化鋁-碳化硅晶須増強冷作模具鋼材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于模具鋼材料領(lǐng)域，特別是一種氧化鋁-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鍛造工藝是工業(yè)生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié)，目前，鍛造模具的使用壽命占整個鍛造產(chǎn)品成本的比重為20%，冷作模具鋼在冷鍛、冷擠壓、鐓擠、拉拔等模具中使用量非常大，冷作模具鋼要求高的硬度和耐磨性，其中硬度高(HRC多58-64)，才能保證模具在被加工材料產(chǎn)生變形時，模具本身不產(chǎn)生變形和開裂，高的耐磨性是模具長期使用不走形。高耐磨性是以高硬度為基礎(chǔ)的。同時要求有足夠的強度與韌性，高的強度會提高模具的變形抗力，高的韌性防止沖擊載荷下的脆斷。還要求有良好的疲勞性能和良好的抗咬合能力。冷作模具鋼用鋼主要添加如下!^、2^他、￥、胃、10、0、111、？6金屬元素，針對硬度要求高，含碳化物增加會增加硬度，但是一般含碳量的增加，鋼的硬度、強度和耐磨性提高，塑性、韌性變差。目前冷鍛技術(shù)發(fā)展非常迅速，但是冷鍛成形比熱鍛需要的載荷力更大，開發(fā)高強度高耐磨冷作模具鋼十分必要。目前世界上主要開了W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等高速鋼用于冷鍛成形，但是存在模具使用壽命短的問題。因此，開發(fā)具有高強度、高韌性、高硬度、高耐磨性和良好的疲勞性能的冷作模具鋼具有重要的應(yīng)用前景。
[0003]基于上述目的，采用在WCrMoV基體合金鋼中添加氧化鋁-碳化硅納米晶須來增強W18Cr4V材料的硬度、耐磨性、強度、強韌性和疲勞性的方法。本發(fā)明WCrMoV冷作模具鋼材料基體材料的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:Mn〈0.4，W〈17.5-19，Mo〈3.5，Cr:3.8-4.4，V:1.0-1.4;目前我國現(xiàn)有的冷作模具鋼在專利100999802A中，經(jīng)研究、分析表明添加了Nb等稀土金屬，有更高的耐磨性和強韌性;高的硬度和高的回火穩(wěn)定性，提高了使用壽命，可部分替代M2高速鋼模具，但是該系列冷作模具材料易于過熱而崩刃，因此，為了進一步提高模具使用壽命，而通過在WCrMo V冷作模具鋼基體中添加氧化鋁-碳化硅納米晶須來增強合金材料的硬度、耐磨性、強度、強韌性和疲勞性的方法，可以顯著提高冷作模具鋼的強度、韌性、硬度、耐磨性和良疲勞性能，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明專利的目的是:在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種加工工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低廉、無污染排放、可在常規(guī)熔煉條件下組織生產(chǎn)的氧化鋁-碳化硅納米晶須增強WCrMoV冷作模具鋼材料的制備方法，較傳統(tǒng)的WCrMoV冷作模具鋼的強度、韌性、硬度和疲勞性能大幅提升。
[0005]本發(fā)明專利的技術(shù)方案是:本發(fā)明是一種氧化鋁-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料的制備方法，通過氮氣、二氧化碳將氧化鋁-碳化硅晶須反應(yīng)前驅(qū)體粉末吹入真空熔煉爐中的WCrMoV冷作模具鋼熔體中，在吹入的過程中引發(fā)自蔓延燃燒合成反應(yīng)，得到納米氧化鋁-碳化硅晶須、以及少量的碳和硅，再經(jīng)過機械化混合攪拌、變質(zhì)處理、精煉、澆注，即獲得氧化硅-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料。
[0006]將聚四氯乙烯、鐵粉、氧化鋁粉、硅粉和炭黑充分混合形成反應(yīng)劑，通過機械化球磨48小時獲得混合漿體，將混合漿體倒入石墨罐并放入真空爐中，以100?160°C的烘干溫度將混合漿體烘干，得到干燥的混合物料，然后隨爐冷卻然后研磨成粉體，通過氮氣、二氧化碳將上述粉末吹入真空熔煉爐中的WCrMoV冷作模具鋼熔體中，在吹入的過程中引發(fā)自蔓延燃燒合成反應(yīng)，得到納米氧化鋁-碳化硅晶須、以及少量的碳和硅，再經(jīng)過機械化混合攪拌、變質(zhì)處理、精煉、澆注，即獲得氧化硅-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料。
[0007]氧化鋁-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料的制備方法，由于反應(yīng)生成碳和硅元素，在WCrMoV基體材料熔體含有質(zhì)量百分比為0-0.3的C元素和0-0.5的Si元素，WCrMoV熔體的溫度1860-2000°C。反應(yīng)生成增強納米晶須的時間為10-60分鐘，納米晶須含量要求越高反應(yīng)生成增強納米晶須的時間越長。
[0008]在鐵和四氯乙烯作為催化劑下，在吹入的過程中引發(fā)自蔓延燃燒合成反應(yīng)，生產(chǎn)SiC和Al2O3納米晶須:
3C02+4A1=2A1203+3[C]
C02+Si=SiC+2[0]
C+Si=SiC
上述產(chǎn)物最后落入熔體中，而且兩種生成物的反應(yīng)相互之間也有分解及進一步的反應(yīng)，是一個互相促進和分解的平衡過程，從而達(dá)到最終的平衡反應(yīng)速度。增強納米晶須的幾何尺寸直徑是20-50nm的晶須。通過對反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、混合氣體的組成等進行相關(guān)調(diào)節(jié)，可以控制反應(yīng)生成增強納米晶須的組成(SiC和Al2O3的比例)、納米晶須尺寸、長度、數(shù)量及分布，從而滿足不同部位的使用要求。
[0009]本發(fā)明的基體使用合金的化學(xué)成分為:Mn〈0.4，W〈17.5_19，Mo〈3.5 ,Cr: 3.8-4.4,V: 1.0-1.4，可以通過上述成分要求合金熔煉進行熔煉提供。WCrMoV基體材料在真空熔煉爐內(nèi)熔煉，最終可獲得強度、韌性和硬度大幅提升的WCrMoV合金鋼。
[0010]與現(xiàn)有冷作模具鋼材料相比，氧化鋁-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料的制備方法具有如下優(yōu)點:
(I)耐磨性、韌性、強度顯著提高，間隔2小時澆注試樣的力學(xué)性能差小于6%，這將有利于大批量、小尺寸合金鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)。增強納米晶須直徑尺寸細(xì)小，分布均勻，組織穩(wěn)定性高，表面無污染，與在WCrMoV基體結(jié)合良好。材料的室溫力學(xué)性能和耐磨性能顯著提高，尤其適合于冷作模具合金鋼、鉆頭、刀具等方面的應(yīng)用。
[0011](2)合金組織穩(wěn)定性好，不會分解有毒氣體或溶解物，本發(fā)明因增強納米晶須是在真空熔煉爐中自蔓延生成后落入WCrMo V恪體中繼續(xù)進行反應(yīng)，解決了外加納米晶須與基體合金潤濕性差、易發(fā)生界面反應(yīng)以及組織穩(wěn)定性差等問題。因生成的納米晶須直徑尺寸小，因比重差導(dǎo)致的上浮/下沉速度小，不易偏析，生產(chǎn)的工藝穩(wěn)定性高。
【具體實施方式】
[0012]下面給出本發(fā)明的最佳實施例:本發(fā)明基體材料WCrMoV合金的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為111:0.3，1:18.5，10:2.5，(>:4.0，￥:1.0，剩余為？6。待其融化并過熱到1900°(:，扒渣，變質(zhì)、精煉、澆注鑄型;將合金熔體加熱到1950°C，用混合氣體(二氧化碳65%，氮氣35%)將混合粉末(聚四氯乙烯、鐵粉催化劑10%+氧化鋁粉、硅粉和炭黑90%)吹入真空熔煉爐中，自蔓延反應(yīng)后自然落入合金熔體中，氣體壓力0.1Mpa，氣體流量0.05 m3/Min，時間1分鐘，混合粉末加入量為合金熔體重量的5%，再進行變質(zhì)處理和精煉處理，澆注鑄型，再保溫，并分別于20分、40分、80分澆注鑄型。然后進行T6處理，并進行性能測試。實驗結(jié)果表明氧化鋁-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼抗拉強度為979.2Mpa，延伸率為3.01%，腐蝕性能:失重比例為0.01237%，成本為85元/Kg。隨著保溫時間的延長性能有所下降，但即使保溫80分鐘后，其性能差也小于5%。如保溫80分鐘后室溫抗拉強度950.1 Mpa，延伸率為3.17%，腐蝕性能:失重比例為0.01238%，成本為86元/Kg。由此可見，同時本發(fā)明氧化鋁-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼的價格雖然略高于傳統(tǒng)冷作模具鋼材料，但是本發(fā)明材料的抗拉強度，耐磨性、尤其硬度和組織穩(wěn)定性都顯著提高，而且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性好，便于大批量生產(chǎn)。
【主權(quán)項】
1.一種氧化鋁-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料的制備方法，其特征是通過氮氣、二氧化碳將氧化鋁-碳化硅晶須反應(yīng)前驅(qū)體粉末吹入真空熔煉爐中的WCrMo V合金熔體中，在吹入的過程中引發(fā)自蔓延燃燒合成反應(yīng)，得到納米氧化鋁-碳化硅晶須、以及少量的碳和硅，再經(jīng)過機械化混合攪拌、變質(zhì)處理、精煉、澆注，即獲得氧化鋁-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料； (&)冷作模具鋼基體材料的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:111〈0.4，￥〈17.5-19，10〈3.5，0:3.8-4.4,V:l.0-1.4； (b)聚四氯乙烯、鐵粉、氧化鋁粉、硅粉和炭黑充分混合形成反應(yīng)劑，通過機械化球磨48小時獲得混合漿體，將混合漿體倒入石墨罐并放入真空爐中，以100?160°C的烘干溫度將混合漿體烘干，得到干燥的混合物料，然后隨爐冷卻然后研磨成粉體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋁-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料的制備方法，其特征是在WCrMoV基體材料熔體含有質(zhì)量百分比為0-0.3的C元素和0-0.5的Si元素，WCrMoV熔體的溫度 1860-2000°C。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋁-碳化硅納米晶須增強冷作模具鋼材料的制備方法，其特征是:反應(yīng)生成增強顆粒的時間為10-60分鐘，晶須含量要求越高反應(yīng)生成增強晶須的時間越長。
【文檔編號】C22C49/08GK105925918SQ201610470318
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】徐淑波, 周玉林, 雷啟騰
【申請人】山東建筑大學(xué)