[发明专利]一种利用电脉冲制备高固溶度超细晶粒高速钢的方法

说明书

本发明公开了一种利用电脉冲制备高固溶度超细晶粒高速钢的方法，步骤为：把高速钢进行常规奥氏体化后淬火并回火；然后把钢材两端夹持在电脉冲设备的电极之间，在空气环境下对高速钢放电处理，依靠脉冲电流使材料温度升高到奥氏体化温度区间，实现奥氏体晶粒超细化及促进碳化物溶解；在电脉冲放电结束时通过自动淬火装置完成淬火；最后把电脉冲处理淬火态的高固溶度超细晶高速钢再经过三次回火，得到综合力学性能优异的高速钢。本方法解决了传统热处理过程中高速钢晶粒细化与碳化物促溶之间无法兼顾的技术瓶颈，既实现了高速钢奥氏体晶粒超细化，又达到了提高碳化物溶解量的双重效果。该方法工艺流程短，节能高效，能同时改善高速钢的硬度和韧性。

技术领域

本发明涉及高速钢的处理工艺，具体涉及一种利用电脉冲制备高固溶度超细晶粒高速钢的方法。

背景技术

晶粒超细化是获得钢材优异综合力学性能的重要技术。钢中铁素体晶粒的超细化技术已经得到广泛工业应用，但是对于具有马氏体或回火马氏体、贝氏体组织的结构钢而言，晶粒超细化是需要把原奥氏体晶粒细化到5μm以下，相关的工艺有循环热处理、冷变形马氏体的逆相变、大塑性变形。循环热处理工艺繁琐，且能耗高。通过塑性变形实现奥氏体晶粒超细化的方法需要的变形量很大，这需要大吨位变形设备。部分合金钢可以通过在Ac₃相变点附近奥氏体化得到细小的甚至于超细的奥氏体晶粒，比如专利申请号为CN101709359A的专利申请文件中公开了25CrMoA车轴钢的奥氏体晶粒超细化方法，该方法是在“低于并接近临界点Ac₃的温度范围为Ac₃～Ac₃-10℃的范围同时对低中碳低合金车轴钢零件进行电炉加入和电脉冲加热”，获得了均匀的超细化奥氏体晶粒。但是该专利也指出未采用电脉冲加热工艺处理的钢中奥氏体晶粒度也可达到10～13级（晶粒尺寸范围在11.2～4.0μm），而施加电脉冲后的奥氏体晶粒度仍然在10～13级。专利申请号为CN101709359A的专利申请文件中公开了电脉冲的作用是提高晶粒尺寸的均匀度和消除偏析和带状组织，虽然低温奥氏体化可以实现奥氏体晶粒超细化，但是对于合金钢而言，降低奥氏体化温度可能导致碳化物溶解量不足的问题。尤其是对于高速钢来说，实际奥氏体化温度明显高于Ac₃相变点，这是因为保证高速钢中足够的碳化物溶解量比晶粒细化更重要。

电脉冲处理是一种向材料中输入脉冲电流的工艺方法，由于脉冲电流在材料中产生的诸多物理效应，使得材料的组织发生不同于其他工艺过程中的变化，从而达到改变材料组织的目的。近年来，电脉冲在材料凝固组织改善、塑性加工、固态相变组织细化和表面处理等领域受到广泛关注。大量的研究表明电脉冲能够显著细化金属材料的显微组织，但是仅利用电脉冲而不需要其他任何辅助措施来实现钢的奥氏体晶粒超细化的报道却很少，更没有关于利用电脉冲实现高速钢奥氏体晶粒超细化的文献报道。

高速钢作为广泛使用的刀具和模具材料，其性能是制约生产成本和行业发展的重要因素。由于传统热处理过程中奥氏体形核率很低，得到的晶粒粗大，并且由于高速钢中含有大量的难溶合金碳化物，为了获得淬火后基体组织足够的合金元素固溶度，淬火温度往往高于基体的奥氏体相变完成温度（即Ac₃相变点），这就导致传统热处理后淬火组织中的晶粒粗大。因此单纯的热处理工艺难以制备出具有超细晶粒（晶粒尺寸小于5μm，或晶粒度优于12级）的高速钢材料。

高速钢中的碳化物是影响其性能的另一个重要因素。高速钢的奥氏体化过程中碳化物溶解量越高，二次强化效果越好。为了提高碳化物溶解量，热处理过程中必须提高奥氏体化温度，这就必然导致奥氏体晶粒粗化，降低高速钢的韧性。因此高速钢热处理过程中提高碳化物溶解量和晶粒细化之间是相互矛盾的。目前并没有相关技术能够达到在促进高速钢晶粒超细化的同时又能提高碳化物溶解量的双重效果。

发明内容

为了解决高速钢晶粒超细化与促进碳化物溶解之间相互矛盾的技术瓶颈，开发能耗低、效率高的新工艺，本发明提供了一种利用电脉冲制备高固溶度超细晶粒高速钢的方法。