一种粉末冶金工具钢的成型方法

摘要

本发明公开了一种粉末冶金工具钢的成型方法，包括以下步骤：步骤一、将水雾化工具钢粉末在真空下进行碳还原、退火；步骤二、在粉末表面均匀包覆一层助烧结的石墨润滑剂，再混入石蜡成型剂得到混合料；步骤三、将混合料模压成型制成材料坯或零件坯、脱蜡；步骤四、将材料坯或零件用真空-压力炉进行烧结。本发明生产的工具钢（高速钢）组织均匀细小，相对密度高达99.5%，密度接近全致密；材料性能优异，物理机械性能接近等静压工具钢（高速钢）材料；具有粉末冶金的低成本、无切削、高效率、能大批量生产零件的优点。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料成形方法，具体涉及一种粉末冶金工具钢的成型方法。

背景技术

常用的工具钢（高速钢）是铸-锻料，由于成份偏析，组织粗大，机械性能一般，而且，制成零件需进行大量的机械加工。普通粉末冶金工具钢（高速钢）冷压制品，相比铸-锻料加工件，材料组织均匀细小，无偏析，性能稳定；同时，采用模具成型，适合大批量、形状复杂、尺寸精度高的零件生产；但由于孔隙的存在，强度、韧性等机械性能指标不高，使用也因而受到限制。采用热等静压，将工具钢（高速钢）粉末制成完全致密的钢坯，并保持均匀细小的组织，强度性能可以大幅度提高；但制成零件仍需与铸-锻料一样，需要后续机械加工；加上热等静压本身投入巨大，生产效率低下，制成的钢坯单价就高达数百元/公斤，因而使用也受到相当限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种效率高、低成本、性能好且节能的粉末冶金工具钢的成型方法。

实现本发明目的采用的技术方案是：

粉末冶金工具钢的成型方法，包括以下步骤：

步骤一、将水雾化工具钢（高速钢）粉末在真空度3—10Pa、900-950℃的温度下进行碳还原，然后在780-820℃的温度下保温退火；

步骤二、在经还原退火的工具钢（高速钢）粉末中加入石墨润滑剂 ，石墨润滑剂中的碳占总重量的0.5——3.0%（重量），混合均匀，真空干燥过筛，使粉末表面均匀包覆一层助烧结的石墨润滑剂，再均匀混入石蜡成型剂得到混合料；

步骤三、将步骤二的混合料用传统的粉末冶金工艺模压成型制成材料坯或零件坯，其压坯相对密度70——85%，再在真空或保护气体条件下采用300-600℃的温度预烧脱蜡；

步骤四、将步骤三的材料坯或零件用真空-压力炉进行烧结，最高烧结温度T为混合料的相图固相线上5-10℃，温度误差小于±3℃，气压O——8 MPa。

所述步骤一的工具钢（高速钢）粉末的碳含量偏差控制在±0.1%以内，其它主要成分偏差在±0.25%。

所述步骤四的真空-压力炉，按以下程序操作：

阶段一：升温温度0～1100 ℃，真空压力10～100Pa，时间60～120分钟；

阶段二：保温温度900～1100 ℃，真空压力5～10Pa，时间60～90分钟；

阶段三：升温温度900 ～T-40℃，真空压力5～10Pa，时间5～90分钟；

阶段四：保温温度T-40℃，真空压力5～10Pa，时间5～90分钟；

阶段五：升温温度T-40～T-5℃，真空压力1～5Pa，时间5～30分钟；

阶段六：保温温度T-5℃，真空压力1～5 Pa，时间30 ～120分钟；

阶段七：保温温度T℃，气压1Pa ～8 MPa，时间30 ～120分钟；

其中T为1200～1250℃。

本发明的特点是采用优质高纯原料雾化成工具钢（高速钢）粉末，高温还原退火，再包覆助烧结添加剂石墨，接着采用常规的冷压成型，最后，使用精密可控的真空-压力烧结技术，进行超固相线烧结，制成工具钢（高速钢）材料及零件。

本发明的有益效果：

1、本发明通过工具钢（高速钢）粉末包覆助烧结添加剂石墨、精密真空-压力超固相线烧结，生产的工具钢（高速钢）材料及零件，组织均匀细小，相对密度高达99.5%，密度接近全致密；

2、本发明生产的工具钢（高速钢）材料性能优异，物理机械性能接近等静压工具钢（高速钢）材料，远高于传统冷压烧结材料和铸锻工具钢（高速钢）材料；

3、 本发明继承了粉末冶金的低成本、无切削、高效率、能大批量生产零件的优点；相比较，热等静压投入大、能耗高、生产成本高、材料利用率低；本发明具有高效、节能、低排等特点。

下面通过实施例进一步说明本发明的技术方案。

具体实施方式

实施例1

粉末冶金工具钢的成型方法，包括以下步骤：

步骤一、将水雾化工具钢（高速钢）Cr12Nb4MO1粉末在真空度5Pa 、900℃的温度下进行碳还原，然后在780-820℃的温度下保温退火；

步骤二、在经还原退火的工具钢（高速钢）粉末中加入石墨润滑剂，石墨润滑剂选用Henkel公司的DAG154，石墨润滑剂中的碳占总重量的2.3%（重量），混合均匀，真空干燥过筛，使粉末表面均匀包覆一层助烧结的石墨润滑剂，再均匀混入石蜡成型剂得到混合料；

步骤三、将步骤二的混合料用传统的粉末冶金工艺模压成型制成材料坯或零件坯，其压坯相对密度85%，再在真空条件下采用400℃的温度预烧脱蜡；

步骤四、将步骤三的材料坯或零件用真空-压力炉进行烧结，最高烧结温度T为混合料的相图固相线1220 ℃上10℃即1230 ℃，温度误差小于±3℃，气压6MPa。

所述步骤一的工具钢（高速钢）粉末的碳含量偏差控制在±0.1%以内，其它主要成分偏差在±0.25%。

所述步骤四的真空-压力炉，按以下程序操作：

阶段一：升温温度0 ～1100 ℃，真空压力80Pa，时间120分钟；

阶段二：保温温度1100 ℃，真空压力8Pa，时间60分钟；

阶段三：升温温度1100 ～T-40℃，真空压力8Pa，时间20分钟；

阶段四：保温温度T-40℃，真空压力8Pa，时间60分钟；

阶段五：升温温度T-40～T-5℃，真空压力3Pa，时间5分钟；

阶段六：保温温度T-5℃，真空压力3Pa，时间60分钟；

阶段七：保温温度T℃，气压6MPa，时间30分钟。

实施例2

粉末冶金工具钢的成型方法，包括以下步骤：

步骤一、将水雾化工具钢（高速钢）Cr12Ni1MO0.5C2.0粉末在真空度10Pa、900℃的温度下进行碳还原，然后在780℃的温度下保温退火；

步骤二、在经还原退火的工具钢（高速钢）粉末中加入石墨润滑剂，石墨润滑剂选用Henkel公司的DAG154，石墨润滑剂中的碳占总重量的0.5%（重量），混合均匀，真空干燥过筛，使粉末表面均匀包覆一层助烧结的石墨润滑剂，再均匀混入石蜡成型剂得到混合料；

步骤三、将步骤二的混合料用传统的粉末冶金工艺模压成型制成材料坯或零件坯，其压坯相对密度70%，再在保护气体（氨分解气体或氮气）条件下采用600℃的温度预烧脱蜡；

步骤四、将步骤三的材料坯或零件用真空-压力炉进行烧结，最高烧结温度T为混合料的相图固相线1220 ℃上10℃即1230 ℃，温度误差小于±3℃，气压8MPa。

所述步骤一的工具钢（高速钢）粉末的碳含量偏差控制在±0.1%以内，其它主要成分偏差在±0.25%。

所述步骤四的真空-压力炉，按以下程序操作：

阶段一：升温温度0 ～1000 ℃，真空压力100Pa，时间80分钟；

阶段二：保温温度1000 ℃，真空压力10Pa，时间90分钟；

阶段三：升温温度1000 ～T-40℃，真空压力10Pa，时间90分钟；

阶段四：保温温度T-40℃，真空压力10Pa，时间90分钟；

阶段五：升温温度T-40～T-5℃，真空压力5Pa，时间30分钟；

阶段六：保温温度T-5℃，真空压力5Pa，时间120分钟；

阶段七：保温温度T℃，气压8MPa，时间30分钟。

实施例3

粉末冶金工具钢的成型方法，包括以下步骤：

步骤一、将水雾化工具钢（高速钢）Cr12Nb6MO1.5粉末在真空度3Pa、950℃的温度下进行碳还原，然后在820℃的温度下保温退火；

步骤二、在经还原退火的工具钢（高速钢）粉末中加入石墨润滑剂，石墨润滑剂选用Henkel公司的DAG154，石墨润滑剂中的碳占总重量的3.0%（重量），混合均匀，真空干燥过筛，使粉末表面均匀包覆一层助烧结的石墨润滑剂，再均匀混入石蜡成型剂得到混合料；

步骤三、将步骤二的混合料用传统的粉末冶金工艺模压成型制成材料坯或零件坯，其压坯相对密度85%，再在真空条件下采用300℃的温度预烧脱蜡；

步骤四、将步骤三的材料坯或零件用真空-压力炉进行烧结，最高烧结温度T为混合料的相图固相线1220 ℃上5℃即1225 ℃，温度误差小于±3℃，气压0MPa。

所述步骤一的工具钢（高速钢）粉末的碳含量偏差控制在±0.1%以内，其它主要成分偏差在±0.25%。

所述步骤四的真空-压力炉，按以下程序操作：

阶段一：升温温度0 ～1000 ℃，真空压力10Pa，时间60分钟；

阶段二：保温温度1000 ℃，真空压力5Pa，时间60分钟；

阶段三：升温温度1000 ～T-40℃，真空压力5Pa，时间5分钟；

阶段四：保温温度T-40℃，真空压力5Pa，时间5分钟；

阶段五：升温温度T-40～T-5℃，真空压力1Pa，时间5分钟；

阶段六：保温温度T-5℃，真空压力1Pa，时间30分钟；

阶段七：保温温度T℃，气压1Pa，时间120分钟。

所述的石墨润滑剂和石蜡成型剂均为常规市售产品。

采用本发明方法生产的零部件具有耐磨、密度高、机械性能好，适合大批量生产的特点（参见表1）。

表1  烧结材料物理机械性能

本发明方法已用于加工军用指挥车的发动机关键部件和发动机关键耐磨部件，部件密度大于7.6g/cm3(相对密度99%)，碳化物尺寸6-8微米，孔隙尺寸小于0.01；热处理后，材料抗弯强度≥2500 MN/mm2。性能完全达到要求，远超常规粉末冶金冷压件和铸锻件，与热等静压件相近，取得了很好的效果，完全能够满足技术要求（参见表2）。

表2  发动机技术要求