IPC分类号：
C22C38/04 | C22C38/46 | C22C38/06 | C22C38/02 | C22C33/02 | B22F10/28 | B22F10/25 | C21D1/18 | C21D6/00 | B33Y10/00 | B33Y40/20 | B33Y70/10 | B33Y80/00 | B22F10/32 | C21D6/02
国民经济行业分类号：
C3516 | C4330 | C4320 | C4090 | C3493 | C3240 | C3140
当前申请(专利权)人地址：
510650 广东省广州市天河区长兴路363号 (广东,广州,天河区)
发明人：
张欣悦 | 李艳辉 | 陈珊珊 | 闫星辰 | 董东东 | 杨智凯
摘要：
本发明公开了一种高速钢及其制备方法和应用，涉及金属材料制造技术领域。按重量百分比计，包括C：0.7～1.3％、Ni：3～7％、Mn：0～1.5％、V：2.5～5％、Cr：7～10.5％、N：0.1～0.5％、Al<0.8％、Si<0.8％、Fe余量。通过对高速钢的合金原料进行合理配比，增加了高速钢的合金原料中Ni和Mn的配比，辅以V、Nb、Cr、Mo等合金元素，可以稳定高速钢中的奥氏体，消除残余应力，抑制裂纹。然后在含有氮气的反应气氛下通过增材制造制备高速钢，从而向高速钢中引入N元素，经过多次热处理，使得引入的N元素与合金原料中的合金元素反应形成第二相颗粒，有效地提高了高速钢的力学性能。
技术问题语段：
目前，高速钢材料多是采用铸造、轧制、粉末冶金等成型工艺，这些成型工艺流程复杂，高速钢制品形状简单，且难以控制高速钢的质量
技术功效语段：
[0028]本发明提供了一种高速钢及其制备方法和应用，通过对高速钢的合金原料进行合理配比，增加了高速钢的合金原料中Ni和Mn的配比，辅以V、Nb、Cr、Mo等合金元素，可以稳定高速钢中的奥氏体，消除其残余应力，抑制裂纹。然后在含有氮气的反应气氛下通过增材制造的方法制备高速钢，从而向高速钢中引入N元素，经过多次热处理，使得引入的N元素与合金原料之间发生反应，形成碳氮化物和碳化物，起到颗粒强化的效果，有效提高了高速钢的力学性能。
权利要求：
1.一种高速钢，其特征在于，按重量百分比计，由以下元素组成C：0.7~1.3%、Ni：3~7%、Mn：0~1.5%、V：2.5~5%、Nb：0~4%、Cr：7~10.5%、Mo：0~3%、N：0.1~0.5%、Al< 0.8%、Si<0.8%、Fe余量；所述高速钢中C和N元素与合金元素形成碳氮化物颗粒和碳化物颗粒；
所述高速钢的制备方法包括：在反应气氛下，通过增材制造将高速钢的合金原料打印在基板上；再经过固溶和淬火以及至少两次高温回火制得所述高速钢；
所述反应气氛包括氮气；
所述高速钢的合金原料的制备包括：将除了N以外的原料按比例混合后制备预合金铸锭，再气雾化所述预合金铸锭制得。
2.根据权利要求1所述的高速钢，其特征在于，所述碳氮化物颗粒为(V、Nb)(C、N)型碳氮化物；
所述碳化物颗粒为(V、Nb)C型碳化物、(Cr、Mo、Fe)7C3型碳化物和(Mo、V、Nb)2C型碳化物。
3.根据权利要求1所述的高速钢，其特征在于，所述氮气占所述反应气氛总体积的10~100%。
4.根据权利要求3所述的高速钢，其特征在于，当所述反应气氛中氮气体积＜100%时，反应气氛中还包括填充气体。
5.根据权利要求4所述的高速钢，其特征在于，所述填充气体包括氩气和氦气中的至少一种。
6.根据权利要求3所述的高速钢，其特征在于，所述增材制造的反应腔内氧含量≤1000ppm。
7.根据权利要求1所述的高速钢，其特征在于，所述高速钢的合金原料的粒径为10~85μm。
8.根据权利要求1所述的高速钢，其特征在于，所述增材制造包括激光选区熔化和直接金属激光烧结中的任一种。
9.根据权利要求8所述的高速钢，其特征在于，激光选区熔化和直接金属激光烧结的激光参数包括：激光束光斑直径80~110 μm，激光功率100~260 W，激光扫描速度600~850 mm/s，激光扫描间距40~100 μm。
10.根据权利要求8所述的高速钢，其特征在于，在进行激光选区熔化之前还包括将基板预热到100~200 ℃，并将高速钢的合金原料铺设或输送在预热好的基板上，高速钢的合金原料粉末层的厚度为30~100 μm。
11.根据权利要求1所述的高速钢，其特征在于，所述固溶和淬火包括将增材制造的高速钢置于马弗炉内加热保温，随后取出置于油中淬火。
12.根据权利要求11所述的高速钢，其特征在于，加热温度为1050~1250 ℃，保温时间为0.2~3 h。
13.根据权利要求1所述的高速钢，其特征在于，所述高温回火的回火温度为450~650℃，每次回火的时间为0.5~2 h，高温回火的次数为2~4次。
14.一种如权利要求1~13任一项所述的高速钢在金属材料制造领域中的应用。
技术领域：
[0001]本发明涉及金属材料制造技术领域，具体而言，涉及一种高速钢及其制备方法和应用。
背景技术：
[0002]高速钢是以大量碳化物强化的工具钢，具有高强度、高硬度和较好的韧性，在多刃刀具、受冲击和振动的切削刀具以及模具制造中占据重要地位，是高端制造、国防军工、轨道交通等领域不可或缺的关键材料。
[0003]由于高碳、高合金的高速钢裂纹敏感性高，短时间成型的过程中会因为高残余应力而发生变形和开裂。目前，高速钢材料多是采用铸造、轧制、粉末冶金等成型工艺，这些成型工艺流程复杂，高速钢制品形状简单，且难以控制高速钢的质量。
[0004]鉴于此，特提出本发明。
发明内容：
[0005]本发明的目的在于提供一种高速钢及其制备方法和应用。
[0006]本发明是这样实现的：
[0007]第一方面，本发明提供一种高速钢，按重量百分比计，包括C：0.7～1.3％、Ni：3～7％、Mn：0～1.5％、V：2.5～5％、Cr：7～10.5％、N：0.1～0.5％、Al<0.8％、Si<0.8％、Fe余量。
[0008]在可选的实施方式中，按重量百分比计，包括C：0.7～1.3％、Ni：3～7％、Mn：0～1.5％、V：2.5～5％、Nb：0～4％、Cr：7～10.5％、Mo：0～3％、N：0.1～0.5％、Al<0.8％、Si<0.8％、Fe余量。
[0009]优选地，高速钢中C和N元素与其他合金元素形成碳氮化物颗粒和碳化物颗粒。
[0010]优选地，碳氮化物颗粒为(V、Nb)(C、N)型碳氮化物。
[0011]优选地，碳化物颗粒为(V、Nb)C型碳化物、(Cr、Mo、Fe)7C3型碳化物和(Mo、V、Nb)2C型碳化物。
[0012]第二方面，本发明提供一种如前述实施方式的高速钢的制备方法，包括在反应气氛下，通过增材制造将高速钢的合金原料打印在基板上；再经过固溶和淬火以及至少两次高温回火制得高速钢；反应气氛包括氮气。
[0013]在可选的实施方式中，氮气占反应气氛体积的10～100％。
[0014]优选地，当反应气氛中氮气体积＜100％时，反应气氛中还包括填充气体。
[0015]优选地，填充气体包括氩气、氦气中的至少一种。
[0016]优选地，增材制造的反应腔内氧含量≤1000ppm。
[0017]在可选的实施方式中，高速钢的合金原料的制备包括：将除了N以外的原料按比例混合后制备预合金铸锭，再气雾化预合金铸锭制得。
[0018]优选地，高速钢的合金原料的粒径为10～85μm。
[0019]在可选的实施方式中，增材制造包括激光选区熔化、直接金属激光烧结中的任一种，优选为激光选区熔化。
[0020]优选地，激光选区熔化和直接激光烧结的激光参数包括：激光束光斑直径80～110μm，激光功率100～260W，激光扫描速度600～850mm/s，激光扫描间距40～100μm。
[0021]在可选的实施方式中，在进行激光选区熔化之前还包括将基板预热，并将高速钢的合金原料铺设或输送在预热好的基板上。
[0022]优选地，基板的预热温度为100～200℃，高速钢的合金原料粉末层厚度为30～100μm。
[0023]在可选的实施方式中，固溶和淬火是将增材制造的高速钢置于马弗炉内加热保温，随后取出置于油中淬火；更优选地，加热温度为1050～1250℃，保温时间为0.2～3h。
[0024]在可选的实施方式中，高温回火的回火温度为450～650℃，每次回火的时间为0.5～2h，高温回火的次数为2～4次。
[0025]优选地，固溶包括将增材制造的基板置于马弗炉内加热保温；更优选地，加热温度为1050～1250℃，保温时间为0.2～3h。
[0026]第三方面，本发明提供一种如前述实施方式的高速钢或如前述实施方式任一项的制备方法制得的高速钢在钢铁制造领域中的应用。
[0027]本发明具有以下有益效果：
[0028]本发明提供了一种高速钢及其制备方法和应用，通过对高速钢的合金原料进行合理配比，增加了高速钢的合金原料中Ni和Mn的配比，辅以V、Nb、Cr、Mo等合金元素，可以稳定高速钢中的奥氏体，消除其残余应力，抑制裂纹。然后在含有氮气的反应气氛下通过增材制造的方法制备高速钢，从而向高速钢中引入N元素，经过多次热处理，使得引入的N元素与合金原料之间发生反应，形成碳氮化物和碳化物，起到颗粒强化的效果，有效提高了高速钢的力学性能。
具体实施方式：
[0040]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0041]第一方面，本发明提供一种高速钢，按重量百分比计，包括C：0.7～1.3％、Ni：3～7％、Mn：0～1.5％、V：2.5～5％、Cr：7～10.5％、N：0.1～0.5％、Al<0.8％、Si<0.8％、Fe余量。
[0042]通过对高速钢的合金原料进行合理配比，增加了高速钢的合金原料中Ni和Mn的配比，辅以V、Nb、Cr、Mo等合金元素，可以塑性和韧性良好的奥氏体比例，稳定高速钢中的奥氏体，消除其残余应力，抑制裂纹。
[0043]在可选的实施方式中，按重量百分比计，包括C：0.7～1.3％、Ni：3～7％、Mn：0～1.5％、V：2.5～5％、Nb：0～4％、Cr：7～10.5％、Mo：0～3％、N：0.1～0.5％、Al<0.8％、Si<0.8％、Fe余量。
[0044]优选地，高速钢中C和N元素与其他合金元素形成碳氮化物颗粒和碳化物颗粒。
[0045]优选地，碳氮化物颗粒为(V、Nb)(C、N)型碳氮化物。
[0046]优选地，碳化物颗粒为(V、Nb)C型碳化物、(Cr、Mo、Fe)7C3型碳化物和(Mo、V、Nb)2C型碳化物。
[0047]本发明提供的高速钢，通过各元素合理配比，使得其中的C、N、V、Nb、Cr、Mo等元素能够形成多种碳氮化物和碳化物，从而获得高硬高强的新型高速钢材料。
[0048]第二方面，本发明提供一种如前述实施方式的高速钢的制备方法，包括如下步骤：
[0049]S01、制备高速钢的合金原料
[0050]在可选的实施方式中，高速钢的合金原料的制备包括：将除了N以外的原料按比例混合后制备预合金铸锭，再气雾化预合金铸锭制得。
[0051]优选地，制备预合金铸锭包括将除了N以外的原料按比例混合后熔炼得到合金铸锭。
[0052]优选地，由于增材制造方法对颗粒的球形度要求较高，因此气雾化包括采用气体雾化法、超声气体雾化法和高压气体雾化等方法将预合金铸锭制备为圆球形粉末颗粒，然后将制备得到的颗粒筛分，选择粒径在10～85μm的颗粒作为高速钢的合金原料。
[0053]S02、通过增材制造的工艺将高速钢成型
[0054]在反应气氛下，通过增材制造将高速钢的合金原料打印在基板上，反应气氛包括氮气。
[0055]在可选的实施方式中，为了保证高速钢中的碳氮化物含量，以及有利于氮元素在高速钢中发挥固溶强化的作用，氮气占反应气氛体积的10～100％。
[0056]优选地，当反应气氛中氮气体积＜100％时，反应气氛中还包括填充气体。
[0057]本发明通过在反应气氛中引入氮元素，将反应气氛作为反应活性物质与合金元素反应，因此，增材制造的反应气氛可以完全选择氮气，或者是氮气与其他填充气体的混合物。
[0058]优选地，填充气体包括氩气和氦气中的至少一种。
[0059]优选地，氮气占反应气氛体积的10～100％。
[0060]为了保证足够量的氮元素溶解在高速钢的合金原料内，需要控制增材制造的反应腔中的氧含量，使反应腔中的氧含量尽量降低，优选地，增材制造的反应腔内氧含量≤1000ppm。
[0061]在可选的实施方式中，增材制造包括激光选区熔化和直接金属激光烧结中的任一种，优选为激光选区熔化。激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术，也称为激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion,LPBF)技术，其能够近净成型复杂形状的高速钢零部件，特别是可实现切削刀具和模具内部冷却流道的制备，大幅提高其冷却效率与服役寿命。
[0062]优选地，激光选区熔化的参数包括：激光束光斑直径80～110μm，激光功率100～260W，激光扫描速度600～850mm/s，激光扫描间距40～100μm。
[0063]优选地，直接金属激光烧结的参数包括：激光束光斑直径80～110μm，激光功率100～260W，激光扫描速度600～850mm/s，激光扫描间距40～100μm。
[0064]在可选的实施方式中，在增材制造之前还包括将基板预热，并将高速钢的合金原料铺设或输送在预热好的基板上。其中，增材制造的方法为激光选区熔化时，将高速钢的合金原料铺设在预热好的基板上；增材制造的方法为直接金属激光烧结时，采用送粉的方式将高速钢的合金原料输送在预热好的基板上。
[0065]优选地，基板的预热温度为100～200℃，高速钢的合金原料每次铺粉的厚度为30～100μm。通过多次铺粉和增材制造最终打印成高速钢零件。
[0066]S03、热处理
[0067]在可选的实施方式中，还包括将增材制造成型后的高速钢进行固溶、淬火和至少两次高温回火制得。
[0068]优选地，固溶包括将增材制造的基板置于马弗炉内加热保温；更优选地，加热温度为1050～1250℃，保温时间为0.2～3h。
[0069]优选地，淬火包括将固溶后的高速钢取出置于淬火油中冷却至室温。
[0070]在可选的实施方式中，高温回火的回火温度为450～650℃，每次回火的时间为0.5～2h，高温回火的次数为2～4次。
[0071]目前制备高速钢的常规方法是通过按比例将合金原料混合后，利用铸造、轧制、粉末冶金等方式成型，其成型工艺流程复杂，且难以控制高速钢的质量。因此，发明人提出采用增材制造的方法成型，但是由于高碳、高合金的高速钢裂纹敏感性高，且增材制造的打印成型过程非常迅速，容易导致高速钢结构内残余应力较高而发生开裂和变形。因此，一方面，发明人通过调整高速钢中各元素的配比，另一方面，通过调整高速钢的成型方式，配合N元素的加入形式，通过增材制造将氮气分子直接分解为原子或离子后溶解到液态金属中，或是通过先吸附在分解的方式溶入液态金属中，从而将N元素引入高速钢中，再通过多次热处理，使得引入的N元素与合金原料之间发生反应，促使其形成奥氏体组织，抑制裂纹的萌生和扩展，有效提高了高速钢的力学性能。
[0072]第三方面，本发明提供一种如前述实施方式的高速钢或如前述实施方式任一项的制备方法制得的高速钢在钢铁制造领域中的应用。
[0073]以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
[0074]实施例1
[0075]本实施例提供了一种高速钢，其制备方法如下：
[0076]S01、制备高速钢的合金原料
[0077]按照C：0.7％、Ni：7％、Mn：1.5％、V：5％、Cr：10.5％、Al<0.6％、Si<0.8％、Fe余量的比例将各合金元素进行熔炼，熔炼混合均匀后制备预合金铸锭，通过高压气体雾化法将预合金铸锭气雾化制得球形颗粒，然后将制备得到的球形颗粒筛分，选择粒径在10～40μm的颗粒作为高速钢的合金原料，如图1所示。
[0078]S02、通过增材制造的工艺将高速钢成型
[0079]在10％N2和90％Ar2的反应气氛下，将S01步骤得到的高速钢的合金原料铺设在预热至100℃的316L基板上，每次铺粉厚度为30μm；利用激光选区熔化技术加热熔融高速钢的合金原料，激光束光斑直径110μm，激光功率100W，激光扫描速度850mm/s，激光扫描间距100μm。待冷却后再次铺粉和激光选区熔化，直到制得致密无裂纹的高速钢零件，如图2所示。
[0080]S03、热处理
[0081]将S02步骤制得的高速钢零件置于马弗炉内加热保温，加热温度为1050℃，保温时间3h，取出置于淬火油中快速冷却至室温。然后进行3次高温回火，每次回火的温度为650℃，每次回火的时间为0.5h。
[0082]如图3所示，制得的高速钢中含有VC、Cr7C3和V2C碳化物以及少量V(C,N)碳氮化物。经氧氮氢分析仪测定，该高速钢含有0.10％N。
[0083]实施例2
[0084]本实施例提供了一种高速钢，其制备方法如下：
[0085]S01、制备高速钢的合金原料
[0086]按照C：1.3％、Ni：3％、Mn：4％、V：2.5％、Nb：4％、Cr：7％、Mo：3％、Al<0.8％、Si<0.8％、Fe余量的比例将各合金元素进行熔炼，熔炼混合均匀后制备预合金铸锭，通过超声气体雾化法将预合金铸锭气雾化制成球形粉末颗粒，然后将制备得到的球形颗粒筛分，选择粒径在20～80μm的颗粒作为高速钢的合金原料，如图4所示。
[0087]S02、通过增材制造的工艺将高速钢成型
[0088]在60％N2和40％Ar2的反应气氛下，将S01步骤得到的高速钢的合金原料输送在预热至200℃的316L基板上，控制高速钢的合金原料厚度为100μm；利用直接激光烧结技术加热熔融高速钢的合金原料，激光束光斑直径80μm，激光功率260W，激光扫描速度600mm/s，激光扫描间距80μm，制得致密无裂纹的高速钢零件，如图5所示。
[0089]S03、热处理
[0090]将S02步骤制得的高速钢零件置于马弗炉内加热保温，加热温度为1250℃，保温时间0.2h，取出置于淬火油中冷却至室温。然后进行2次高温回火，每次回火的温度为550℃，每次回火的时间为3h。
[0091]如图6所示，制得的高速钢中含有大量(V,Nb)(C,N)碳氮化物以及(V,Nb)C和(Cr、Mo、Fe)7C3以及(Mo、V、Nb)2C碳化物。经氧氮氢分析仪测定，该高速钢含有0.22％N。
[0092]实施例3
[0093]本实施例提供了一种高速钢，其制备方法如下：
[0094]S01、制备高速钢的合金原料
[0095]按照C：1.3％、Ni：3％、Mn：4％、V：2.5％、Nb：4％、Cr：7％、Mo：3％、Al<0.8％、Si<0.8％、Fe余量的比例将各合金元素进行熔炼，熔炼混合均匀后制备预合金铸锭，通过气体雾化法将预合金铸锭气雾化制得球形颗粒，然后将制备得到的球形颗粒筛分，选择粒径在40～85μm的颗粒作为高速钢的合金原料。
[0096]S02、通过增材制造的工艺将高速钢成型
[0097]在100％N2的反应气氛下，将S01步骤得到的高速钢的合金原料铺设在预热至150℃的316L基板上，每次铺粉厚度为90μm；利用激光选区熔化技术加热熔融高速钢的合金原料，激光束光斑直径100μm，激光功率150W，激光扫描速度730mm/s，激光扫描间距80μm。待冷却后再次铺粉和激光选区熔化，直到制得致密无裂纹的高速钢零件。
[0098]S03、热处理
[0099]将S02步骤制得的高速钢零件置于马弗炉内加热保温，加热温度为1100℃，保温时间1h，取出置于淬火油中冷却至室温。然后进行4次高温回火，每次回火的温度为450℃，每次回火的时间为1h。
[0100]如图7所示，因高速钢中氮含量高，并且采用的回火温度较低，在高速钢中析出大量纳米尺寸的(V,Nb)(C,N)碳氮化物、(V,Nb)C和(Cr、Mo、Fe)7C3碳化物。经氧氮氢分析仪测定，该高速钢含有0.31％N。
[0101]对比例1
[0102]本对比例提供了一种高速钢，其合金原料的化学成分为C：0.85％、Si：0.53％、Mn：0.36％、Ni：0.19％、Cr：4.25％、W：2.46％、Mo：2.72％、V：2.01％、Co：4.35％和Fe余量。在氩气气氛下，激光增材制造工艺参数为：铺粉层厚30μm、激光功率200W、激光脉冲80μs、激光扫描间距88μm等。具体参见“Cracking mechanism in a laser powder bed fused cold-work tool steel:The role of residual stresses,microstructure and localelemental concentrations，J.Platl,S等,Acta Mater 2022,225,117570”。
[0103]其制得的高速钢样品如图8所示，由图8可知，本对比例提供的高速钢样品出现明显的变形和开裂。说明传统的高速钢化学组成在面向铸造等成型工艺，其奥氏体稳定元素Ni和Mn含量较低，铁素体稳定元素W和Mo含量较高，并且含有大量的C以及碳化物形成元素W、Mo、V等，在激光增材制造时，快速凝固易形成马氏体组织，并沿着晶界析出M2C共晶碳化物网，该脆性碳化物网在残余应力作用下形成裂纹源，并扩展成为宏观裂纹。
[0104]本发明实施例与对比例相比，通过调整高速钢的合金原料配比，使之适应于激光增材制造，并通过含有氮气的反应气氛辅助成型，使得N元素固溶于高速钢中，获得奥氏体占主导、甚至完全为奥氏体的组织，避免了传统成分高速钢中脆性马氏体组织和M2C共晶碳化物网，有效地减少残余应力，解决了高速钢变形开裂问题。
[0105]对比例2
[0106]本对比例提供了一种高速钢，其高速钢的合金原料与实施例1相同，制备方法与实施例1相似，区别仅在于激光功率为85W，得到如图9所示结果。
[0107]由图9可知，由于增材制造的激光功率过低，不能完全加热熔融高速钢粉末，使得高速钢零件内遗留大量未熔融孔隙。
[0108]对比例3
[0109]本对比例提供了一种高速钢，其高速钢的合金原料与实施例2相同，制备方法与实施例2相似，区别仅在于激光功率为290W，激光扫描速度1000mm/s，得到如图10所示结果。
[0110]由图10可知，由于增材制造的激光功率过高，温度梯度增大，导致高残余热应力，高速钢样品开裂。
[0111]本发明提供了一种高速钢及其制备方法和应用，其至少具有如下优点：
[0112]通过对高速钢的合金原料进行合理配比，增加了高速钢的合金原料中Ni和Mn的配比，辅以V、Nb、Cr、Mo等合金元素，可以塑性和韧性良好的奥氏体比例，稳定高速钢中的奥氏体，消除其残余应力，抑制裂纹。
[0113]一方面，发明人通过调整高速钢中各元素的配比，另一方面，通过调整高速钢的成型方式，配合N元素的加入形式，通过增材制造将氮气分子直接分解为原子或离子后溶解到液态金属中，或是通过先吸附在分解的方式溶入液态金属中，从而将N元素引入高速钢中，再通过多次热处理，使得引入的N元素与合金原料之间发生反应，促使其形成奥氏体组织，抑制裂纹的萌生和扩展，有效提高了高速钢的力学性能。
[0114]以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内