一种使高钒高钴高速钢获得超塑性性能的方法

摘要

一种使高钒高钴高速钢获得超塑性的方法，步骤如下：选择母合金料，采用喷射成形工艺，获得高钒高钴高速钢块体；再大压下量热轧，热轧温度950～1100℃，每道次压下量为50～80％；控制冷却。本发明采用上述方法，获得均匀等轴细晶粒且致密化组织的高钒高钴高速钢，在1.0×10－4s－1～1.0×10－2s－1的应变速率下780～1000℃内具有最高可达327％高温拉伸延伸率；超塑性变形温度相当宽，从780℃到1000℃甚至更高温度；且，在相当高的应变速率(1.0×10－1s－1)下仍有100％以上的高温拉伸延伸率，使添加昂贵合金元素的高钒高钴高速钢得到超塑性，可以实现一次成形形状较复杂的刀具、模具，大大减少材料、能源和时间的耗费。

说明书

技术领域

本发明涉及一种使高钒高钴高速钢获得超塑性性能的工艺方法。

背景技术

高钒高钴高速钢是一种高碳高合金莱氏体钢，不仅被广泛用于高速、大走刀量和高深度的切削，也用于高硬度、高韧性及其他难加工材料的切削。但由于钢中所加合金元素种类比较多，含量相当高，因此高钒高钴高速钢属于比较难加工和成形的合金钢钢种。

目前人们为了解决材料的难加工和难成形问题，对材料的超塑性进行了广泛的研究。当材料在一定温度和变形速率条件下拉伸时表现出具有大的延伸率(超过100％)和小的变形抗力的性质，则材料具有超塑性的性能。当材料处于超塑性状态时，则对金属的成形加工存在如下优点：

塑性高、强度低，成形加工载荷低于一般的塑性材料，能大大节省能源，节约加工费用，减少材料的损耗。

超塑性成形使用的载荷小，速率低，故对模具的强度要求不高，模具使用时也不易损坏。

金属材料在超塑性状态下强度低而塑性极高，割断抗力低，易于被切割或切削加工。

对形状复杂的工模具，用常规切削加工会造成材料和工时的浪费，若采用超塑性成形技术，不但可以对形状较复杂的刀模具一次成形，而且可以获得较高的精度和低的表面粗糙度。

就添加昂贵合金元素的高钒高钴高速钢而言，如具有超塑性，则不仅可以实现一次成形形状较复杂的刀具、模具，还可以通过摩擦焊或扩散焊实现高速钢与其它钢种连接，具有较大的经济意义和实用价值。

如今使材料具有超塑性的方法很多。其中如何使材料晶粒超细化、等轴化和稳定化的方法是主要的一方面。因为超细晶粒合金中晶界面积大，高温时晶界塑性好，能进行粘滞性流动，从而材料在高温下具有超塑性。而对于高速钢来说，目前使高速钢具有超塑性的工艺方法手段比较成功的是粉末冶金方法。Гогаев等(К.А.Гогаев，et al.“СтруктурнаяСверхпластичность В Быстрорежущих Сталях”.ПорошковаяМеталлургия.1993，No.9-10：18-23)通过粉末冶金方法使得P6M5Φ3高速钢(美国牌号为M2高速钢)在1100℃温度1.0×10^-4s^-1应变速率下具有很好的超塑性，其延伸率最高达630％。所用的粉末冶金工艺过程是：粉末低温压制→烧结→高温挤压→退火。日本的Yasunori Torisaka等(Yasunori Torisaka，Ichiro Usui，Yoshinori Nakazawa，Matsuo Miyagawa.“High-speed Tool Steel Having Recrystallized Hyperfine Grains and ItsApplication”.Tetsu-to-Hagane 1985，vol 71：735～742.)利用再结晶工艺使KHA30粉末高速钢在温度1000℃拉伸应变速率为2.5×10^-4s^-1的条件下高温拉伸延伸率最大可达322％。他们的再结晶工艺要点是：①将粉末高速钢KHA30在950℃进行5％的锻造或轧制、水冷；②1150℃保温5分钟后水淬；③700℃保温1小时退火。但得到粉末冶金高速钢KHA30的粉末冶金过程相当复杂，其步骤有：粒径250μm以下的雾化粉末→1100℃温度800atm大气压下热等静压→炉冷→1100℃温度下锻造(锻造比为6)→退火。其中退火工艺是：

从他们的上述工艺过程可以看出，高速钢从制备到具有超塑性性能的整个工艺过程是相当复杂的，而且成本比较高，对设备需要昂贵的投资。其他用来使高速钢具有超塑性性能的工艺还有热处理方法。

王敏通过循环淬火法(王敏、陈诗荪、葛利玲.“循环热处理对高速钢超塑性的影响”《金属成形工艺》.vol14，No.6，1996：P16～18、“高速钢的组织超细化与超塑性变形力学行为”《钢铁》vol33，No.9，1998：P49～51)，使W6Mo5Cr4V2(M2)高速钢在810℃温度、初始应变速率3.33×10^-4s^-1最佳变形条件下获得了192％的高温拉伸延伸率，其最大流变应力为58MPa。具体的热处理工艺方案是1040℃×3min油淬+850℃×1h退火+1040℃×3min油淬+550℃×2h退火。崔忠圻等(崔忠圻等.“奥氏体相变与M2高速钢超塑性的关系”.钢铁.Vol.28，No.7，1993：45～50.)则通过淬火+回火的调质处理工艺使M2高速钢在800℃温度、初始应变速率8.33×10^-4s^-1下具有210％的高温拉伸延伸率。而Гуляев(Гуляев，А.П.Сверхпластичностьстали，Металлургия，1982，18.)也采用热处理方法获得了类似结果。从这些超塑性工艺可以看到，通过循环淬火或淬火+回火使高速钢获得超塑性的成本是相当大的，而且热处理保温时间也相当长。另外，也必须注意到这些钢经热处理超塑化后，只是在A_c1温度点附近才出现那么高的高温拉伸延伸率。而且超塑性变形温度的范围(约50℃)和变形速度的范围相当狭窄，结果是在试验或生产过程中对控温设备和成形设备的精度要求非常高，以致无法充分利用材料的这一性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使高钒高钴高速钢获得超塑性性能的方法，采用简单工艺，成本也较低；而且，材料获得超塑性更加优越。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种使高钒高钴高速钢获得超塑性的方法，其特征是，包括以下步骤：

a.选择合适的高钒高钴高速钢母合金料，其化学成分(wt％)为：

C1.1～2.18，W5.0～7.0，Mo4.0～6.0，Cr3.0～5.0，V2.2～8.3，Co6.5～9.5，其余为Fe；

b.采用喷射成形工艺，获得高钒高钴高速钢块体；

c.再采用大压下量热轧方法，热轧加热温度选择在950～1100℃，热轧加热保温时间遵循t＝d×(1.0～2.0)min/mm(d为轧制样品的厚度)，每道次压下量为50～80％之间；

d.热轧后冷却，冷却速度控制在1～10℃/min。

其中，所述的喷射成形工艺包括如下步骤：

i.将高钒高钴高速钢母合金料放入感应炉内加热，使之熔化；

ii.在高于熔点100～250℃温度下保持一段时间，使熔体的温度和成分达到均匀；

iii.用高压惰性气体向熔体喷射，使熔体雾化成细小液滴，细小液滴飞行并沉积在收集基板上，冷却凝固并形成块体。

又，所述的喷射成形工艺中惰性气体为氮气或氩气。

本发明的高钒高钴高速钢的超塑性高温拉伸变形温度范围为780～1100℃；变形应变速率范围为1.0×10^-4s^-1～1.0×10^-1s^-1。

1.喷射成形工艺，通过喷射成形，高钒高钴高速钢可以获得均匀等轴细晶粒组织。由于凝固冷却速度快，因此组织中不会出现连续的网状碳化物，只存在不连续分布的细小碳化物，并避免出现偏析。不过，由于在喷射成形过程中，高速钢颗粒和液滴冲击基板后，在沉积成坯的同时会使坯的温度升高。如果过热度比较高的话，在沉积过程中存在的未凝固液滴里就有可能会出现影响材料性能的网状碳化物和共晶莱氏体。因此对于高钒高钴高速钢来说，应遵循低温快浇的原则。但喷射成形的过热度也不能太低，因为如果太低，会使沉积的坯内孔洞增多。总之，在喷射成形过程中，控制钢液的过热度是关键因素之一。本发明采用的过热度高于钢的熔点温度100～250℃。

2.大压下量热轧工艺。通过该热轧工艺，可以达到两个目的：一方面，可以使高钒高钴高速钢喷射成形坯体致密化，密度接近理论密度。虽然喷射成形使得钢中无偏析，组织均匀细小，但是通过喷射成形工艺制得的材料本身并不是完全致密的，除了存在一定数量的孔洞以外，还存在数量比较多、硬度比较高的碳化物如MC型碳化物，它们对钢中存在的孔洞具有强烈的敏感性，这样就可能使材料的高温拉伸延伸率不高。因此必须使材料达到致密。另一方面，由于喷射成形的雾化过程中，不可避免地出现大尺寸液滴，大液滴在沉积过程中因为冷却速度稍慢会出现网状碳化物和共晶莱氏体。这些网状碳化物和共晶莱氏体的存在会影响材料的性能，因此必须运用热加工的方法将其去除或粉碎。要达到这两个目的，必须严格控制热轧的温度和压下量。对于高钒高钴高速钢而言，需要控制热轧的加热速度、加热温度和保温时间，如果加热速度太快，钢中容易产生热应力。加热温度太高，则会出现碳化物明显粗化和角状化，造成随后的轧制过程中容易产生裂纹。保温时间太长也会造成晶粒的长大。本发明所用的轧制加热速度控制在1～10℃/min范围，轧制加热温度为950℃～1100℃，保温时间遵循t＝d×1.0～2.0min/mm(d为轧制样品的厚度)。始轧温度为950～1000℃。终轧温度控制在850～900℃。为了使材料能够达到致密，每道次压下量控制在50～80％之间。

3.轧制后的材料冷却方式。轧制后如何使材料冷却到室温，也是比较关键的问题。如果采用空冷或更快冷却方式，由于高钒高钴高速钢合金含量和碳含量都很高，结果会出现奥氏体向马氏体的相变，形成孪晶马氏体，并伴随内应力的产生，导致裂纹萌生。在随后的室温放置过程中萌生的裂纹很容易扩展，导致材料报废。当采用一定温度下随炉冷却时，在去除应力的同时，部分碳化物也会出现长大，最后使材料的性能变差。因此需要采用合适的冷却方式。本发明将轧制后的材料的冷却速度控制在1～10℃/min的范围内既可避免冷却太快，也避免了材料中碳化物的长大。

本发明的有益效果

通过本发明采用喷射成形工艺结合大压下量热轧，获得的高钒高钴高速钢在1.0×10^-4s^-1～1.0×10^-2s^-1的应变速率下780～1000℃内具有最高可达327％高温拉伸延伸率；同时超塑性变形温度也相当宽，从780℃到1000℃甚至更高温度都具有比较高的拉伸延伸率。在相当高的应变速率(1.0×10^-1s^-1，接近常规加工手段的水平)下该材料在某些温度点仍然可有100％以上的高温拉伸延伸率。利用本发明使添加昂贵合金元素的高钒高钴高速钢得到超塑性，不仅可以实现一次成形形状较复杂的刀具、模具，大大减少材料、能源和时间的耗费，还可通过摩擦焊或扩散焊实现高钒高钴高速钢与其它钢种连接，具有较大的经济意义和实用价值。

具体实施方式

本发明采用的高钒高钴高速钢母合金成分(wt％)是：C1.31，W5.11，Mo4.16，Cr4.33，V3.12，Co6.64，Si0.06，Mn0.19，P0.022，S0.011。

喷射成形，喷射成形操作过程是：将上述高速钢母合金料(铸棒)放入感应炉内加热熔化；在高于熔点150℃左右温度下保持一段时间，使熔体的温度和成分达到均匀；然后用高压氮气向熔体喷射，使之雾化成细小液滴，飞行并沉积在收集基板上，完成凝固并形成块体。喷射过程中使用的导液管直径是4.5mm，雾化氮气压力2.5MPa，喷射距离350mm，基板旋转速度为10rpm，气体/熔液流量比(G/M)约为0.40m³/kg。

热轧，从喷射成形坯体上用线切割制取宽21mm、厚20mm、长85mm条形试样，并将前端制成楔形，以便轧制时咬入。

将上述试样放入箱式电阻炉中随炉以2℃/min加热速度从500℃加热到1020℃，保温20分钟；取出试样后立即送入最大轧制力为3000kN的热轧机进行轧制。从试样取出到轧制，试样温度下降幅度为40～80℃之间(由红外温度测试仪测定)。轧机轧辊直径为370mm，转速20转/分钟。将试样从20mm厚一道次轧到6mm厚，压下量为70％。

热轧后冷却，热轧后，将上述高钒高钴高速钢试样放入在温度400℃左右预热过的镁砂中，随砂一起冷却，冷却速度大约为3.8℃/min。经以阿基米德定律为原理的排水法测得材料的密度为：8.0585g/cm³，接近理论密度。

超塑性试验

采用线切割方法在上述热轧试样上取样制成一定尺寸的拉伸试样。在温度780～1000℃温度范围内进行高温超塑性拉伸。拉伸结果如表1所示。

结果表明：

经上述步骤后高钒高钴高速钢在2.5×10^-4s^-1或5.0×10^-3s^-1的应变速率下具有最高可达327％高温拉伸延伸率。

超塑性变形温度相当宽，从780℃到950℃甚至更高温度都具有比较高的拉伸延伸率。因此降低了试验或生产过程中对控温设备和成形设备的精度要求，可以充分利用材料的超塑性性能。

在相当高的应变速率(1.0×10^-1s^-1，接近常规加工手段的水平)下该材料在某些温度点仍然可有100％以上的高温拉伸延伸率。这对高速钢而言尚未出现类似报道。

因此，利用本发明使高钒高钴高速钢得到的超塑性，可以将工具件直接成形，大大减少材料、能源和时间的耗费，这无疑具有重要经济价值。表1为高钒高钴高速钢经喷射成形+大压下量热轧后高温超塑性拉伸结果。

                        表1