[发明专利]一种确定加压电渣重熔压力、动态调节压力制备高氮高速钢梯度材料的方法及应用

说明书

本发明属于高速钢技术领域，具体涉及一种确定加压电渣重熔压力、动态调节压力制备高氮高速钢梯度材料的方法及应用。本发明通过动态调节加压电渣重熔的压力，得到预期氮含量呈梯度分布的高速钢梯度材料。本发明利用氮在不同压力下的溶解度差异，实现氮元素在电渣锭中的梯度分布，有效避免了电渣锭的性能突变，突破传统材料硬度和韧性的矛盾，使二者更合理匹配，从而得到具有高硬度、高红硬性和高耐磨性的同时，又可以承受弯曲、扭转和冲击振动等载荷作用的高速钢梯度材料。

技术领域

本发明属于高速钢技术领域，具体涉及一种确定加压电渣重熔压力、动态调节压力制备高氮高速钢梯度材料的方法及应用。

背景技术

高速钢因其硬度高、耐磨性和耐热性高、强韧性配合好、工艺性能优异，被广泛用于制造各种切削刀具、高载荷模具、航空高温轴承等诸多领域。碳化物作为高速钢中重要的相，是高速钢具有高硬度、高红硬性、高耐磨性等使用性能的重要保证，但是尺寸粗大、分布不均的碳化物晶相组织又是严重恶化高速钢性能的根源。氮元素被作为微合金化元素，添加到高速钢中可以细化和均匀共晶碳化物，同时还能改善热处理过程中碳化物形态与分布，并且氮与碳元素具有相似的析出相形成能力和较强的二次硬化能力。但对于传统高速钢来说，其硬度和韧性是两个矛盾的性能指标，高硬度的传统高速钢往往韧性较差，高韧性的传统高速钢往往硬度较低。因此，通过添加合金元素同时改善高速钢硬度和韧性的程度有限。

梯度材料避免了性能突变，突破了传统均匀单质材料或均匀单级复合材料多功能性共存的矛盾，能够实现材料硬度和韧性完美匹配。鉴于氮在改善碳化物形态与分布和提高高速钢综合性能方面的有益作用，采用含氮梯度材料调控高速钢整体材料的硬度和韧性使高速钢梯度材料满足高端刀具“高韧性刀背+高硬度高耐磨性刃部”的性能需求。现有的梯度材料制备工艺中，粉末冶金方法可用于制备含氮高速钢梯度材料，但粉末冶金在制备高氮钢材料时存在氮分布均匀差及氮含量难以精确控制的问题，从而影响梯度材料硬度和韧性的匹配。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种确定加压电渣重熔压力、动态调节压力制备高氮高速钢梯度材料的方法及应用。按照本发明提供的制备方法能够精确控制氮在高氮高速钢中的含量和分布，从而得到硬度和韧性完美匹配的梯度材料。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种确定加压电渣重熔压力的方法，在进行加压电渣重熔时，按照式1得到氮气压力，根据式2得到加压电渣重熔压力：

其中p'_i为氮气压力，单位为MPa；p^Θ为标准大气压，单位为MPa；T为冶炼温度，单位为K；[％N]为高速钢目标氮梯度相应质量百分数；[％C]为铸锭中碳的质量百分数；[％Si]为铸锭中硅的质量百分数；[％Ni]为铸锭中镍的质量百分数；[％Mn]为铸锭中锰的质量百分数；[％Mo]为铸锭中钼的质量百分数；[％Cr]为铸锭中铬的质量百分数；[％V]为铸锭中钒的质量百分数；

p_i＝p_i'+(0.5～1.2) 式2；

其中p_i为加压电渣重熔压力，单位为MPa。

本发明还提供了一种动态调节压力制备高氮高速钢梯度材料的方法，包括以下步骤：

将铸锭作为自耗电极，按照上述技术方案中所述方法中式1和式2确定的压力进行加压电渣重熔，得到所述高氮高速钢；所述铸锭包括以下化学元素的组成：Fe、Cr、Mo、W、Co、Mn、V、C和稀土元素；所述加压电渣重熔过程中包括：向加压电渣重熔结晶器中添加氮化硅和钙粒的混合物，对铸锭进行增氮和脱氧处理；

式1为确定高氮高速钢中各部分对应氮含量的压力的公式；式2为确定不同部分高氮高速钢的加压电渣重熔压力的公式。

优选的，所述铸锭的制备方法包括以下步骤：