[发明专利]氮化铝弥散强化粉末冶金铝高速钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型氮化铝弥散强化粉末冶金铝高速钢及其制备方法。发明制备的铝高速钢采用新型粉末冶金高速钢直接制备工艺引入（0.05‑5.0）AlN微粉，混合料经过湿磨、制粒、冷等静压成型、氢气脱氧、热压复合烧结以及真空热处理等工艺，实现了氮化铝颗粒的微米级弥散分布，克服了传统铸造工艺中易出现莱氏体组织，以及气雾化‑热等静压法难以引入氮化铝强化相等缺点，具有工艺流程短、生产成本低、杂质含量低、致密度高、且耐磨性、抗氧化以及显微组织在引入氮化铝后都得到显著改善，是一种介于传统高速钢和硬质合金与陶瓷材料之间新型工模具材料。

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金高速钢，即氮化铝弥散强化型耐氧化粉末冶金铝高速钢，以及其制备方法和近净成形工艺。

技术背景

高速钢可分为高端的粉末冶金高速钢和普通铸锻高速钢两种，前者由于消除了后者所存在的粗大偏析显微组织，具有细小且均匀分布的碳化物，因而具有各向异性且优异的综合力学性能。但是，我国至今不具备高端粉末冶金高速钢的生产能力。这主要是由于其生产流程较长、设备投入大、技术门槛高，涉及电渣重熔、气雾化和热等静压等核心设备与技术。如今，粉末冶金高速钢已走过三代，杂质含量和合金化方案的优化是升级的关键点。

铸锻铝高速钢是我国自主发明的一种新型高速钢，但是至今无氮化铝强化型铝高速钢。铝具有类似钴元素的作用，即增大碳元素的扩散能力、改善钢的回火二次硬化、提高马氏体转变温度和提高红硬性等，如河冶的6W-5Mo-4Cr-2V-Al。再如中国发明专利CN106086587A、CN 101797630A以及CN 102925820A等铝硼高速钢大多采用废钢熔炼-铸造-热处理生产，原料成本降低的同时却也降低了材料的综合性能，仅适用于轧辊等机加工领域，而本发明中的粉末高速钢材料具有杂质含量低，短的工艺流程、低的设备投入即可获得具有更多应用领域的高强高硬工具材料，而且传统铝高速钢的耐磨性已远不能满足工模具材料对耐磨性的要求，其解决途径有三种：第一、增加高速钢的合金元素含量，如ASP2060粉末冶金高速钢等；第二，引入硬质点强化，如TiC、AlN等；第三，进一步增加高速钢的红硬性和抗氧化性，提高其高温服役能力。

AlN属于共价键晶体，在标准状态条件下，AlN的分解温度为2708K，有很好的热稳定性，可以认为在标准大气压下AlN没有熔点。且AlN是一种硬度较高且与Fe及其液相难以发生大量扩散反应而相对稳定存在的硬质相，如果引入到高速钢中，则有望同时提高钢的耐磨性和抗氧化性，大大优化传统高速钢的服役能力。传统粉末冶金高速钢由于存在真空熔炼-电渣重熔和气雾化工序，在引入高熔点硬质点或更多合金元素时，所需的较高熔化温度使现有设备(耐热件承受温度一般小于1850℃)难以完全熔化和雾化钢液。因而，传统粉末冶金高速钢难以引入AlN质点进行强化，并且采用高速钢雾化合金粉末和AlN粉末混合后进行超固相液相烧结时，极易出现合金莱氏体和AlN颗粒的沿晶界链状分布，造成材料的韧性急剧恶化。

结合上述分析，有必要找到一种在高速钢中均匀引入AlN颗粒的方法。本发明采用新型粉末冶金高速钢直接制备工艺(DFT)，有望避免AlN在高速钢中的链状分布，实现铝元素和氮对铁基体的固溶强化，同时提高新型粉末冶金高速钢的耐磨性和抗氧化性。另外，AlN颗粒的引入也有望抑制奥氏体晶粒的长大和碳化物的溶解析出机制，进而细化组织，扩大高速钢的热处理窗口以及降低其热处理过热倾向。

发明内容

本发明的目的在于开发出一种新型氮化铝弥散强化型耐氧化粉末冶金铝高速钢，使其满足在现代工业中人们对粉末高速钢高耐磨性和高抗氧化性的要求，进一步扩大其在工模具领域的应用。

本发明为制备此新型高速钢，还提出了一种完全不同于传统气雾化-热等静压流程的新型DFT工艺，该工艺具有可近净成形、流程短、污染小、能耗少、生产成本低的特点，且易引入强化相，无熔炼合金化限制。该工艺由混合料湿磨、制粒、压制成型、氢气加压烧结以及真空热处理等步骤组成。具体按照以下技术方案实现：