[发明专利]适用于单晶金刚石切削的超细晶钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超精密切削加工的新技术，涉及一种结合表面改性技术的尤其适用于单晶金刚石切削的超细晶钢及其制备方法。

背景技术

由于单晶金刚石切削可在加工后获得极佳的表面粗糙度，实现纳米级表面，它已成为制作高精度光学器件和高精度模具的重要加工方法。钢铁材料作为用途最广的工程材料，以其成本低廉，功能多样化而备受超精密加工领域的重视。然而，由于用单晶金刚石刀具切削钢铁材料时会产生巨大的刀具化学磨损，所以传统意义上认为金刚石不能切削黑色金属。若将单晶金刚石切削应用于钢材的超精密加工，各类高精度元器件的应用将更加广泛，具有重大的社会效益和经济效益。因此，我们课题组前期开发了一种高氮模具钢并申请了专利，即“一种适用于单晶金刚石车削的高氮模具钢及其制备方法”(申请号：200910068140.1)。试制后的模具钢在渗氮后对刀具的磨损抑制效果比较好，但存在如下不足：

(1)获得的模具钢晶粒尺寸较大，强度和韧性较低；

(2)模具钢制备过程中采用高氮电极致使氮含量偏高，这样在渗氮时就相对降低了氮势，导致渗氮时间加长引起工件较大变形，且获得的化合物层厚度较小。随后单晶金刚石车削时将会切削到基体材料，从而产生较大的刀具磨损，继而降低工件表面质量。

发明内容

本发明针对以上不足，创新性地提出了一种以纳米级粉体颗粒为形核剂的超细晶钢及其制备方法，外加纳米级粉体颗粒的作用主要表现在细化晶粒，其晶粒尺寸可达到1μm以下，一方面，大幅度增加晶界体积分数，为氮原子的扩散提供大量通道，可以明显提高渗氮速度，在相同的渗氮条件下，大幅度减小渗氮时间即降低氮势门槛值，从而获得单晶金刚石可切削的化合物层厚度明显增大且均匀；另一方面，可显著提高抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击韧度等综合力学性能。

本发明以纳米级粉体颗为形核剂的超细晶钢，其化学成份及重量百分含量如下：

碳：0.21-0.3，镍：5.1-5.3，铜：1.1-1.2，硅：0.5-0.6，铝：3.1-4.0，铬：0.15-0.2，钼：0.4-0.5，锰：1.2-1.5，钒：0.08-0.1，钛：0.4-0.5，铌：0.05-0.09，硼：0.0008-0.0015，镁：0.006-0.007，铁：余量。

制备方法是：最先加入低碳钢850～950公斤，金属镍65～75公斤，金属铜9～15公斤，铌铁合金1.1～1.4公斤，钼铁合金6～8公斤熔化后，加入铬铁合金3～4.2公斤，硅铁合金8.5～10公斤，钒铁合金11～14公斤，低碳锰铁合金18～22公斤，钛铁合金9～12公斤，待熔融后加入硼铁合金0.2～0.5公斤，金属铝95～115公斤，最后将金属镁0.3～0.5公斤以包芯线的方式射入增压电渣重熔炉内，以氮气作为保护气，在重熔熔炼过程中连续均匀地往渣池加入纳米级粉体形核剂，获得晶粒尺寸小于1μm的超细晶钢。在重熔熔炼过程中连续均匀地往渣池加入体积分数为1.1％纳米级粉体形核剂，获得晶粒尺寸小于1μm的超细晶钢。

所述的纳米级粉体为ZrC、ZrO₂、TiC、TiO、TiN、NbN、ZrN或NbC纳米级粉体颗粒。所述熔炼方法为增压电渣重熔法。

获得的超细晶钢进行粗加工接近工件设计尺寸，然后再半精加工、精加工使工件达到较小的形貌误差；对精加工工件的待加工表面进行表面改性处理，获得适合单晶金刚石切削的化合物层。

所采用的表面改性为化学热处理且不局限于一种，采用低温气体渗氮或低温离子渗氮，以减小工件变形，同时，超细晶为渗氮时氮原子的扩散提供大量通道，明显提高渗氮速度，在相同的渗氮条件下，大幅度减小渗氮时间即降低氮势门槛值，从而获得单晶金刚石可切削的化合物层厚度明显增大且均匀；低温渗氮获得的化合物层主要成分为Fe_2-3N和Fe₄N；切削深度要小于化合物层厚度。