[发明专利]一种喷射成形工艺制备大尺寸高钒模具钢的方法

说明书

技术领域

本发明是一种喷射成形工艺制备大尺寸高钒模具钢的方法，属于金属材料成型技术领域。

背景技术

喷射成形（Spray Forming）是近年发展起来的利用快速凝固方法制备高性能材料的先进工艺，该技术不但制备成本低，而且能够获得晶粒细小且无偏析的内部组织，开辟了一条制备先进材料的新途径。喷射成形的工艺原理是，在惰性气体等保护气氛下，采用高压气体将熔融金属破碎成细小的金属熔滴，雾化熔滴在飞行过程中通过对流和辐射等传热方式发生热交换，产生程度不同的凝固，这些部分凝固的熔滴高速撞击沉积器表面，在沉积器表面附着、铺展(变形或破碎)、堆积，逐步长大成大块金属沉积坯，对坯体进行后续加工可获得最终产品。与粉末冶金的工模具材料制备方法相比，具有短流程特点的喷射成形工艺具有无可比拟的优势。

我国的汽车、航空、航天及装备制造等产业正处于高速发展阶段，正逐步由制造大国向制造强国转变。先进航空、航天、汽车产品要求零部件具有更优异性能、更低成本更高环保性，而加工工艺要求具有更快加工速度、更高可靠性、高重复精度可再现性。我国现有的工模具材料以熔锻工艺为主，由于受熔炼工艺的限制，合金化程度低、碳化物粗大、偏析严重、分布不均匀，耐磨、冲击和切削等性能水平偏低，尽管其存在成本低廉的优势，但难以满足高速高效加工及难加工材料的要求，只适用于中低端产品。粉末冶金高速钢无碳化物偏析且碳化物细小，抗弯强度是传统高速钢的2倍以上，耐磨性和高温硬度均大幅度提高，广泛用于大模数重载切削滚刀等关键刀具、模具和关键部件。我国是世界上高速钢生产大国，但包括粉末冶金高速钢在内的高性能高速钢生产工艺技术与国际先进水平存在明显差距，还主要依赖于进口,价格较高。从粉末冶金高速钢在国外的发展情况来看，随着加工制造业向中国的转移，以及国内自身在加工装备技术方面的发展，粉末冶金高速钢工模具的应用市场也会加速向中国集中和发展，行业预测的年需求增长率将在15～30％之间。

现阶段国内外主要采用粉末冶金工艺及铸锻工艺制备高钒模具钢，粉末冶金工艺复杂，流程较长，成本较高，氧含量也较高，限制了其应用。而铸锻工艺生产的高钒模具钢偏析严重，碳化物粗大，性能较差，很难制备出大尺寸的母材。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术的状况而设计提供了一种喷射成形工艺制备大尺寸高钒模具钢的方法，其目的是提出了一种制备高质量大尺寸高钒模具钢的新工艺，避免了大尺寸高钒模具钢碳化物偏析严重的缺陷，减少了加工工序，降低了生产成本。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种喷射成形工艺制备大尺寸高钒模具钢的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

（1）选择的高钒模具钢母合金中钒元素的重量百分比为8～20%；

（2）将母合金放入雾化沉积炉熔炼室的真空感应熔炼坩埚内，对雾化沉积炉熔炼室和沉积室抽真空，真空度＜20Pa；

（3）送电加热母合金至高于其熔点80～100℃，保温20～30min，使感应熔炼坩埚内合金液的成分充分均匀，向雾化沉积炉熔炼室和沉积室内充入压力为0.1～0.2MPa的高纯氩气，氩气纯度＞99.999％wt，O₂＜2ppm，充气后雾化沉积炉熔炼室和沉积室压力为0.95~0.98MPa；

（4）将合金液按照15~30kg/min的速度倒入已经被加热的中间包系统，中间包系统预热温度＞1200℃，当合金液流出导流管下端后1~2s后，开启氮气双喷嘴的阀门，用一路喷嘴喷出的高纯氮气对合金液进行稳流，喷嘴喷出的高纯氮气的压力为0.3～0.7MPa，同时用另一路喷嘴喷出的高纯氮气对合金液进行扫描雾化，喷嘴喷出的高纯氮气的压力为1.0～1.5MPa，氮气纯度＞99.999％wt，O₂＜2ppm，把合金液雾化成熔滴，熔滴飞行并在沉积器上形成柱状沉积坯，沉积器的直径为250~500mm；

（5）雾化沉积过程中，保持沉积坯的最顶端沉积部位与扫描雾化的喷嘴中心点之间距离保持不变；

（6）雾化沉积结束后，迅速降低沉积器，同时启动雾化沉积炉的真空系统，对雾化沉积炉熔炼室和沉积室抽真空，真空度＜20Pa，沉积坯温度低于700℃后，停止抽真空，随炉冷却；

（7）沉积坯从沉积室取出后，立即进行去应力退火，退火热处理制度为：随炉升温至630~660℃，保温2h，随炉冷却；

（8）对沉积坯进行锻造，得到直径大于150mm的大尺寸高钒模具钢母材。

本发明的优点是：