一种高红硬性含钴高速钢合金及其熔炼锻造一体化制备方法与流程

本发明涉及高性能金属材料制备，尤其涉及一种高红硬性含钴高速钢合金及其熔炼锻造一体化制备方法。

背景技术：

1、高速钢因其高硬度、高耐磨性和良好的红硬性，被广泛应用于制造切削刀具、冷作模具及高温耐磨部件。随着航空航天、汽车制造及精密加工行业的快速发展，对加工钛合金、镍基高温合金等难切削材料的需求日益增加，这要求高速钢材料必须具备更优异的高温红硬性和综合力学性能。

2、传统的含钴高速钢（如m35、m42等）主要通过提高钴（co）含量来提升基体的热稳定性和红硬性。然而，高钴高速钢在常规冶炼和锻造过程中，极易形成粗大的共晶碳化物及连续的网状碳化物。这些粗大碳化物不仅割裂基体，导致材料的冲击韧性和抗疲劳性能显著下降，而且在后续的热处理过程中难以完全溶解，成为导致刀具崩刃或模具开裂的疲劳源。

3、现有技术中，虽然也有通过添加铌等微合金元素来细化晶粒的尝试，但由于铌与氮的亲和力极强，在常规高温熔炼和锻造加热过程中，极易生成尺寸较大的碳氮化物夹杂，无法发挥纳米级弥散强化的作用。此外，在热加工过程中，氮元素的挥发烧损以及道次间停留时间过长导致的碳化物熟化长大，也是制约高钴高速钢性能提升的技术瓶颈。因此，如何开发出一种兼具超高硬度、优异红硬性与高韧性的含钴高速钢，并实现其组织的精准调控，是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高红硬性含钴高速钢合金及其熔炼锻造一体化制备方法，以解决现有高钴高速钢碳化物粗大、网状分布及韧性不足的技术问题。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、本发明提供的一种高红硬性含钴高速钢合金，按质量百分比计，其化学成分包括：c：0.98~1.12%，w：1.7~2.4%，mo：8.2~9.4%，cr：3.7~4.3%，v：1.4~1.8%，co：7.8~8.8%，nb：0.22~0.40%，n：0.015~0.030%，si：0.20~0.40%，mn：0.15~0.35%，p≤0.025%和s≤0.015%；余量为fe及不可避免杂质。

4、进一步的，按质量百分比计，所述化学成分为：c：1.02~1.08%，co：8.1~8.5%，nb：0.28~0.34%和n：0.020~0.026%。

5、进一步的，所述高速钢合金经淬火回火后的微观组织为回火马氏体基体，且基体上弥散分布有m6c、mc及nb(c，n)复合纳米碳氮化物，碳化物平均尺寸≤3.2 μm，无连续网状碳化物。

6、进一步的，所述高速钢合金经淬火回火后的性能指标为：硬度hrc 67.0~69.0，620℃保温4h红硬性≥64 hrc，室温冲击韧性≥18 j/cm2。

7、本发明还提供一种高红硬性含钴高速钢合金的熔炼锻造一体化制备方法，包括如下步骤：

8、s1、真空感应熔炼：按成分配比投入原料，熔化后进行脱氧处理，先加入铌铁使铌元素固溶，降温后加入氮化铬铁补氮，浇铸得到自耗电极棒；

9、s2、电渣重熔：将自耗电极棒进行电渣重熔，采用专属三元渣系，控制重熔熔速及弱搅拌，重熔完成后控制钢锭本体温度维持在第一预设温度区间，实现凝固过程原位析出纳米nb(c，n)颗粒；

10、s3、高温密闭热送与均温：将高温钢锭装入密闭转运罐输送，入炉后采用两段式阶梯均温制度进行保温；

11、s4、控时分级锻造：对均温后的钢锭进行多道次锻造，严格控制各锻造道次之间的坯料停留时间；

12、s5、碳氮化物诱导球化退火：锻后坯料进行保温并随炉缓冷，获得超细球化组织高速钢坯料。

13、进一步的，步骤s1中，抽真空至≤5pa后升温完全熔化；熔清后测温1560~1580℃，加入硅铁、锰铁预脱氧；先加入铌铁并保温4~7min，再降温至1520~1540℃加入氮化铬铁；出钢温度控制在1530~1545℃。

14、进一步的，步骤s2中，所述专属三元渣系为caf2-cao-al2o3系，按质量百分比计：caf2 68~74%、cao 12~16%、al2o3 10~16%；控制重熔熔速6.8~7.6 kg/min，控制钢锭表层冷却速率2.2~3.5℃/min；所述第一预设温度区间为1080~1140℃。

15、进一步的，步骤s2中，所述弱搅拌采用间歇脉冲搅拌模式，单次搅拌时长2~3s、间隔15~20s；步骤s3中，所述密闭转运罐全程微正压氮气保护，转运时间≤12min，控制钢锭温度损失30~55℃，钢锭入炉温度≥1030℃。

16、进一步的，步骤s3中，所述两段式阶梯均温制度为：第一阶段1080~1110℃保温0.4~0.7h，第二阶段升温至1130~1150℃保温0.8~1.3h；步骤s4中，采用三镦三拔锻造工艺，始锻温度1100~1130℃，终锻温度≥890℃，单道次锻比1.8~2.3，总锻比≥7.5，各锻造道次之间坯料停留时间≤90s。

17、进一步的，步骤s5中，870~890℃保温2.5~3.2h；以18~25℃/h的速率随炉缓冷至720℃并保温4~5.5h；再以≤30℃/h缓冷至500℃出炉；所述制备方法还包括步骤s6，对坯料进行淬火回火处理，淬火温度1185~1205℃保温后油冷，550~565℃进行三次回火，每次保温1.5~2h。

18、综上所述，本发明具有以下有益效果：

19、本发明通过引入特定比例的铌与氮元素，并通过真空感应熔炼中先加铌铁固溶、降温后加氮化铬铁补氮的分步加料工艺，配合电渣重熔过程中的原位析晶控制，在基体中引入了弥散分布的纳米级nb(c，n)颗粒。这些纳米颗粒作为非自发形核核心提高了成核率，细化了共晶碳化物，同时其钉扎晶界的作用有效抑制了高温加热时的晶粒长大，消除高钴高速钢中常见的连续网状碳化物，将碳化物平均尺寸控制在3.2 μm以下。这种细晶强化与弥散强化的协同作用，使得材料在保持超高硬度的同时，提高室温冲击韧性。

20、附图标记

21、图1为实施例1的金相图；

22、图2为对比例1的金相图。

1.一种高红硬性含钴高速钢合金，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分包括：c：0.98~1.12%，w：1.7~2.4%，mo：8.2~9.4%，cr：3.7~4.3%，v：1.4~1.8%，co：7.8~8.8%，nb：0.22~0.40%，n：0.015~0.030%，si：0.20~0.40%，mn：0.15~0.35%，p≤0.025%和s≤0.015%；余量为fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高红硬性含钴高速钢合金，其特征在于，按质量百分比计，所述化学成分为：c：1.02~1.08%，co：8.1~8.5%，nb：0.28~0.34%和n：0.020~0.026%。

3. 根据权利要求1所述的一种高红硬性含钴高速钢合金，其特征在于，所述高速钢合金经淬火回火后的微观组织为回火马氏体基体，且基体上弥散分布有m6c、mc及nb(c，n)复合纳米碳氮化物，碳化物平均尺寸≤3.2 μm。

4. 根据权利要求1所述的一种高红硬性含钴高速钢合金，其特征在于，所述高速钢合金经淬火回火后的性能指标为：硬度hrc 67.0~69.0，620℃保温4h红硬性≥64 hrc，室温冲击韧性≥18 j/cm2。

5.一种如权利要求1-4任一项所述高红硬性含钴高速钢合金的熔炼锻造一体化制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的熔炼锻造一体化制备方法，其特征在于，步骤s1中，抽真空至≤5pa后升温完全熔化；熔清后测温1560~1580℃，加入硅铁、锰铁预脱氧；先加入铌铁并保温4~7min，再降温至1520~1540℃加入氮化铬铁；出钢温度控制在1530~1545℃。

7. 根据权利要求5所述的熔炼锻造一体化制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述专属三元渣系为caf2-cao-al2o3系，按质量百分比计：caf2 68~74%、cao 12~16%、al2o3 10~16%；控制重熔熔速6.8~7.6 kg/min，控制钢锭表层冷却速率2.2~3.5℃/min；所述第一预设温度区间为1080~1140℃。

8.根据权利要求5所述的熔炼锻造一体化制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述弱搅拌采用间歇脉冲搅拌模式，单次搅拌时长2~3s、间隔15~20s；步骤s3中，所述密闭转运罐全程微正压氮气保护，转运时间≤12min，控制钢锭温度损失30~55℃，钢锭入炉温度≥1030℃。

9.根据权利要求5所述的熔炼锻造一体化制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述两段式阶梯均温制度为：第一阶段1080~1110℃保温0.4~0.7h，第二阶段升温至1130~1150℃保温0.8~1.3h；步骤s4中，采用三镦三拔锻造工艺，始锻温度1100~1130℃，终锻温度≥890℃，单道次锻比1.8~2.3，总锻比≥7.5，各锻造道次之间坯料停留时间≤90s。

10.根据权利要求5所述的熔炼锻造一体化制备方法，其特征在于，步骤s5中，870~890℃保温2.5~3.2h；以18~25℃/h的速率随炉缓冷至720℃并保温4~5.5h；再以≤30℃/h缓冷至500℃出炉；所述制备方法还包括步骤s6，对坯料进行淬火回火处理，淬火温度1185~1205℃保温后油冷，550~565℃进行三次回火，每次保温1.5~2h。