一种定向凝固高硼高钒高速钢及其制备方法
阅读说明：本技术 一种定向凝固高硼高钒高速钢及其制备方法 (Directional solidification high-boron high-vanadium high-speed steel and preparation method thereof ) 是由 马胜强 郭鹏佳 邢建东 檀旭 吕萍 付沙沙 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种定向凝固高硼高钒高速钢及其制备方法,将生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁和/或钛铁作为原材料,在1580～1600℃进行熔炼处理,然后进行精炼处理得到高硼高钒高速钢钢水；对高硼高钒高速钢钢水进行过热保温处理,然后控制浇注温度1420～1430℃进行定向凝固处理,待温度降到室温后制备得到定向凝固高硼高钒高速钢。本发明中的高硼高钒高速钢采用定向凝固工艺制备,通过定向凝固技术可较好的控制凝固组织的晶粒取向,使得高硼高速钢呈现出一定的取向,形成连续柱状晶组织,使得材料的各项性能得到很大提高,相比于普通高硼高速钢有了更好的性能。(The invention discloses a directional solidification high-boron high-vanadium high-speed steel and a preparation method thereof, wherein pig iron, waste steel, low-carbon ferrochrome, ferromanganese, ferroboron, ferrovanadium, industrial pure iron, ferromolybdenum, ferrotungsten, ferrosilicon and/or ferrotitanium are used as raw materials, smelting treatment is carried out at 1580-1600 ℃, and then refining treatment is carried out to obtain high-boron high-vanadium high-speed steel liquid; and (3) carrying out overheating heat preservation treatment on the molten steel of the high-boron high-vanadium high-speed steel, then controlling the pouring temperature to 1420-1430 ℃ for directional solidification treatment, and preparing the directional solidification high-boron high-vanadium high-speed steel after the temperature is reduced to room temperature. The high-boron high-vanadium high-speed steel is prepared by adopting a directional solidification process, and the grain orientation of a solidification structure can be well controlled by adopting a directional solidification technology, so that the high-boron high-speed steel presents a certain orientation, a continuous columnar crystal structure is formed, various properties of the material are greatly improved, and the high-boron high-vanadium high-speed steel has better properties compared with common high-boron high-speed steel.)
技术领域
本发明属于定向凝固金属耐磨材料技术领域，具体涉及一种定向凝固高硼高钒高速钢及其制备方法。
背景技术
高速钢是应用较早且广泛的耐磨材料，主要由两种基本组成物构成：一是硬质相碳化物，它使得高速钢的耐磨性较好；二是包裹在碳化物周围的金属基体，它使高速钢有比较好的韧性和吸收冲击的能力。在高速钢的合金元素中，钒对高速钢有着显著的影响。钒有利于MC型碳化物的形成，也会明显的促进层片状M2C型碳化物的形成，抵制骨骼状M6C型碳化物的形成，从而提高高速钢的耐磨性。金属材料中硬质相取向对材料的整体性能有重要影响，同一种材料的不同硬质相取向使得整体合金表现出不同的性能，在摩擦磨损过程中，当材料耐磨相的取向发生改变时，材料的耐磨性呈现出巨大的差异。
高硼高速钢基体组织由马氏体基体组成，基体上分布了大量的高硬度硼碳化物，这种硼碳化物通常呈网状分布于基体。高硼高速钢硬度高，但是共晶硼碳化物自身脆性大、组织粗大，且呈网状分布于基体，导致高硼高速钢脆性大，所制造的热轧辊在服役过程中易出现剥落、开裂和耐磨性不足等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种定向凝固高硼高钒高速钢及其制备方法，实现高硼高速钢中硼碳化物尺度、形态及分布的有效控制和硼碳化物的取向性细化、韧化，同步实现高硼高速钢的特殊组织取向和优异的性能取向性协调一致，大幅提升了该材料的服役周期和使用性能，为高硼高速钢这一新型耐磨材料的开发提供新思路。
本发明采用以下技术方案：
一种定向凝固高硼高钒高速钢的制备方法，包括以下步骤：
S1、将生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁和/或钛铁作为原材料，在1580～1600℃进行熔炼处理，然后进行精炼处理得到高硼高钒高速钢钢水；
S2、对步骤S1精炼完成后的高硼高钒高速钢钢水进行过热保温处理，然后控制浇注温度1420～1430℃进行定向凝固处理，待温度降到室温后制备得到定向凝固高硼高钒高速钢。
具体的，步骤S1的原材料中，生铁的质量分数为4.893％～4.894％，废钢的质量分数为25.176％～25.177％，低碳铬铁的质量分数为8.520％～8.521％，锰铁的质量分数为1.038％～1.039％，硼铁的质量分数为10.899％～10.900％，钒铁的质量分数为4.148％～4.149％，工业纯铁的质量分数为41.850％～41.860％，钼铁的质量分数为1.121％～1.122％，钨铁的质量分数为1.554％～1.555％，硅铁的质量分数为0.463％～0.464％，钛铁的质量分数为0.335％～0.336％。
具体的，步骤S1中，熔炼和精炼具体为：
先加废钢、生铁和工业纯铁，然后加入钼铁、低碳铬铁、钨铁、钒铁、锰铁和硅铁，当炉温为1550～1600℃时，加入硼铁和钛铁，然后用钢液进行烫包处理，随后在炉底中加入0.148～0.152g铝丝脱氧，采用炉底脱氧法，烫包后的钢水回炉，并在炉底吹氩气精炼8～15min。
具体的，步骤S1中，使用水玻璃砂造型，氧化铝涂料作为铸型侧面的内表面涂料，涂料层的平均厚度为0.8～1.1mm。
具体的，步骤S2中，浇注前，先对砂型进行烘干处理，烘干处理的温度为250～280℃，保温时间为6～8h。
具体的，步骤S2中，过热保温处理的温度为1510～1520℃，保温时间为10～12min，过热保温处理的过热度为49.8～50.2℃。
具体的，步骤S2中，采用定向凝固装置进行定向凝固处理，并在定向凝固装置的保温冒口顶端铺撒保温剂，冷却速度为12.1～12.3℃/s，凝固时间为19.0～21.0s，待温度降到室温后进行打箱、落砂及线切割处理。
进一步的，定向凝固装置采用热电偶加热方式，并采用纯铁内镶铜块进行冷却。
更进一步的，冷却速度为12.1～12.3℃/s，凝固时间为19.0～21.0s，定向凝固装置的涂料层厚度为0.8～1.1mm。
本发明的另一个技术方案是，定向凝固高硼高钒高速钢，包括金属基体和分布在基体上的硼化物硬质相，按重量百分数计，包括C：0.35％～0.48％，B：1.77％～1.82％，Cr：4.76％～4.81％，Si：0.58％～0.73％，Mn：0.64％～0.90％，W：1.19％～1.23％，Mo：0.63％～0.67％，Ti：0.06％～0.10％，Al：0.59％～0.61％，V：1.88％～2.30％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种定向凝固高硼高钒高速钢的制备方法，加入原材料浇注前进行烘干处理并保温，再进行熔炼、精炼和保温处理,不仅细化了合金中的各组成相，还可以减少铸件制备过程中的各种缺陷和夹杂，保证铸件元素的收得率。对处理后的纯净化熔体进行定向凝固装置下的浇注和定向凝固强导热控制处理,以获得组织致密细小铸件的同时确保铸件组织沿着凝固方向有序排列，很好的控制了铸件组织的晶粒取向，优化了横向晶界的分布状态，所获得的铸件具有优良的抗热冲击与抗氧化性能、长的疲劳寿命、高的高温蠕变抗力。本发明的核心点在于钢中利于形成定向组织的钒硼成分设计、钢液熔体过热与洁净化协同处理、定向凝固控冷控凝与定向组织制备协同监测装置。制备的定向凝固高硼高钒高速钢中硼化物的宏观硬度在不同取向上随着V含量的增加而提高，当V含量为2.05wt.％时，定向凝固高硼高钒高速钢垂直硬质相柱面的合金硬度达到最大值62.1HRC，相较铸态高硼高速钢组织提高了13.04％，相较铸态质量分数为0.4％C、2.0％B、1.0％V的高硼高速钢硬度40.1HRC提高了35.42％，同时韧性提高32％；此外，合金的断裂强度随着V含量的增加也呈现出上升的趋势，当V含量为2.05wt.％时，平行硬质相柱面的合金抗弯强度达到最大值1724MPa，相比铸态提升了12.41％。
进一步的，通过高硼高钒高速钢各原料成分可以得到V含量为1.88％～2.30％、其他元素含量符合规格的高硼高钒高速钢铸件，提高铸件的强度和韧性。其成分主要特点在于增加了少量钒含量，降低了硼的加入量，这样非常利于断裂强度、韧性和定向效果的同时提升。
进一步的，加入原料时先加废钢、生铁和工业纯铁，然后加入钼铁、铬铁、钨铁、钒铁、锰铁和硅铁，使几种元素发生氧化反应，降低元素含量达到合理的范围，然后钢水回包的同时，炉底加入硼铁和钛铁，待硼铁和钛铁全部融化均匀后进行钢水烫包处理，当烫包钢水温度接近1520～1530℃时，烫包钢水回炉前在炉底加少许铝丝脱氧，钢水回炉，并在熔炼炉底部吹氩气，通过精炼与静置保温处理，除去熔体中的杂质含量、氧化物及其他夹杂质，进一步提高钢水的精炼程度和钢水纯净度，消除获得铸件的铸造缺陷并实现冶金质量控制，熔炼处理温度为1580～1600℃，高于铁的熔点1534℃，使各种原料快速熔化保证钢水充分进行热流搅拌和熔化，为熔体洁净化做好熔体质量保证。
进一步的，涂料层厚度为0.8～1.1mm，可以减轻高温液态金属对铸型的“热击”作用，降低型臂的内应力，避免铸件开裂，同时还可以隔热，改善铸型的充填性能。
进一步的，浇注前对砂型进行烘干处理，温度保持在250～280℃并保温6～8h，使水分烘干更加彻底，避免浇注时发气量增大、强度下降及产生气孔等缺陷，其效果在于钢水浇入定向装置构成的型腔内,保证从底部到顶部强的导热方向,而侧面基本上不影响散射,最终形成自上而下强的单向散热条件。
进一步的，熔体保温处理温度为1510～1520℃并保温10～12min，处于铁的熔点之上，使浇注溶液保持液态并充分混合，元素均匀分布，避免产生偏析等缺陷，浇注温度为1410～1440℃,较Fe-B合金相图液相线温度1381℃稍高，保持了一定过热度，保证了高质量的浇注铸件。
进一步的，使用保温剂，提高了铸件的冷却速度，使铸件获得了必需的温度梯度形成了理想的定向凝固柱状晶组织，确保铸件凝固过程中充型能力好、补缩条件优良、热裂纹容易愈合，获得致密和健全的铸件。
进一步的，定向凝固装置中采用方块形高纯度纯铁底部内镶嵌小块方形铜块进行嵌套式激冷装置的复合冷却系统，提高了铸件的冷却速度，使铸件获得了必需的温度梯度形成了理想的定向凝固柱状晶组织。
进一步的，高硼高钒高速钢凝固时冷却速度为12.1～12.3℃/s，凝固时间为19.0～21.0s，确保铸件凝固过程中充型能力好、补缩条件优良、热裂纹容易愈合，获得致密和健全的铸件。定向凝固装置的涂料层厚度为0.8～1.1mm，可以减轻高温液态金属对铸型的“热击”作用，降低型臂的内应力，避免铸件开裂，同时还可以隔热，改善铸型的充填性能。
本发明一种定向凝固高硼高钒高速钢，具有良好的定向效果，形成了柱状枝晶组织，消除了横向晶界，提高了材料抗高温蠕变和疲劳的能力，当V含量为2.05wt.％时，合金硬质相分布均匀，组织细密、无偏析，定向效果和V细化效果最佳，合金柱状晶一次臂间距和二次臂间距最小值分别为220μm和20μm，细化效果较无V铸态高硼高速钢下的一二次枝晶臂尺寸分别减少52.38％和44.45％。
综上所述，本发明中的高硼高钒高速钢采用定向凝固工艺制备，通过定向凝固技术可较好的控制凝固组织的晶粒取向，使得高硼高速钢呈现出一定的取向，形成连续柱状晶组织，使得材料的各项性能得到很大提高，相比于普通高硼高速钢有了更好的性能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为定向凝固装置示意图；
图2为不同V含量的定向凝固高硼高速钢OM形貌图，其中，(a)为0％V含量低倍形貌图，(b)为1％V含量低倍形貌图，(c)为2％V含量低倍形貌图，(d)为0％V含量高倍形貌图，(e)为1％V含量高倍形貌图，(f)为2％V含量高倍形貌图；
图3为定向凝固高硼高速钢不同V含量的一次臂、二次臂统计结果图；
图4为不同V含量定向凝固高硼高速钢宏观硬度和抗弯强度图。
具体实施方式
本发明提供了一种定向凝固高硼高钒高速钢及其制备方法，通过定向凝固工艺制备了含V定向凝固高硼高速钢，使该种高硼高速钢具有硬质相取向良好、组织均匀细密且高硬度和高抗弯强度的高硼高钒高速钢，其成本低廉、性能稳定、组织无偏析，为高硼高速钢这一新型耐磨材料的开发提供了新思路。
本发明一种定向凝固高硼高钒高速钢，按重量百分数计，包括C：0.35％～0.48％，B：1.77％～1.82％，Cr：4.76％～4.81％，Si：0.58％～0.73％，Mn：0.64％～0.90％，W：1.19％～1.23％，Mo：0.63％～0.67％，Ti：0.06％～0.10％，Al：0.59％～0.61％，V：1.88％～2.30％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。
定向凝固高硼高钒高速钢包括金属基体和分布在基体上的硼化物硬质相，V元素是提高高速钢材料耐磨性及红硬性的重要合金化元素。V是强碳化物形成元素，高速钢中的钒部分溶于基体，部分形成具有高硬度、高热稳定性的碳化物。随着V含量的增加，合金中的硼化物的形态由杆状转变为多粒状，定向凝固合金基体的柱状晶一次臂、二次臂间距不断减小。
当V含量为2.05wt.％时，合金硬质相分布均匀，组织细密、无偏析，定向效果和V细化效果最佳，合金柱状晶一次臂间距和二次臂间距最小值分别为220μm和20μm，细化效果较无V铸态高硼高速钢下的一二次枝晶臂尺寸分别减少52.38％和44.45％。
通过硬度测量结果表明：随着V含量的升高，合金的宏观硬度逐渐上升。当V含量为2.05wt.％时，定向凝固高硼高钒高速钢垂直硬质相柱面的合金硬度达到最大值62.1HRC，相较铸态高硼高速钢组织提高了13.04％，相较铸态质量分数为0.4％C、2.0％B、1.0％V的高硼高速钢硬度40.1HRC提高了35.42％，同时韧性也提高约32％。三点弯测量结果表明：随着V含量的增加，合金的抗弯强度逐渐增加，V含量为2.05wt.％时，平行硬质相柱面的合金抗弯强度达到最大值1724MPa，相比铸态提升了12.41％。
硼作为高硼高速钢中重要的添加元素，主要作用是与合金元素形成各种类型的具有高硬度、高热稳定性的硼化物。同时，极少量的硼溶于基体中可以提高合金的淬透性。本发明根据之前的研究成果，选取的硼含量为1.77～1.82wt.％，获得的组织性能更优良。
一种定向凝固高硼高钒高速钢的制备方法，采用定向凝固工艺制备，较好的控制凝固组织的晶粒取向，形成连续柱状晶组织，具体步骤如下：
S1、将生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁作为原材料依次加入熔炼炉中熔炼，随后在炉底中加入0.148～0.152g铝丝脱氧，采用炉底脱氧法，烫包后的钢水回炉，在底部吹氩精炼处理8～15min，得到成分合格、清洁无杂质的高硼高钒高速钢钢水用于步骤S2；
原材料即生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁中，各成分的质量分数为：25.176％～25.177％废钢、41.850％～41.860％纯铁、1.038％～1.039％锰铁、0.463％～0.464％硅铁、4.893％～4.894％生铁、8.520％～8.521％低碳铬铁、10.899％～10.900％硼铁、1.554％～1.555％钨铁、1.121％～1.122％钼铁、4.148％～4.149％钒铁、0.335％～0.336％钛铁。
加入原材料浇注前的烘干处理温度为250～280℃，保温时间为6～8h，使水分烘干更加彻底，避免浇注时发气量增大、强度下降及产生气孔等缺陷，效果在于钢水浇入定向装置构成的型腔内,保证从底部到顶部强的导热方向,而侧面基本上不影响散射，最终形成自上而下强的单向散热条件。
加入原料时先加废钢、生铁和工业纯铁，然后加入钼铁、铬铁、钨铁、钒铁、锰铁和硅铁，使几种元素发生氧化反应，降低元素含量达到合理的范围，然后钢水回包的同时，炉底加入硼铁和钛铁，待硼铁和钛铁全部融化均匀后进行钢水烫包处理，当烫包钢水温度接近1520～1530℃时，烫包钢水回炉前在炉底加少许铝丝脱氧，钢水回炉，并在熔炼炉底部吹氩气，通过精炼与静置保温处理，除去熔体中的杂质含量、氧化物及其它夹渣物，进一步提高钢水的精炼程度和钢水纯净度，消除获得铸件的铸造缺陷并实现冶金质量控制。
熔炼处理温度为1580～1600℃，高于铁的熔点1534℃，使各种原料快速熔化保证钢水充分进行热流搅拌和熔化，为熔体洁净化做好熔体质量保证。
S2、步骤S1熔炼完成后，先进行1510℃过热保温处理，过热度为49.8～50.2℃，经过热处理的钢水快速浇入定向凝固装置中，对在定向凝固装置的保温冒口顶端铺撒高纯珍珠岩，待试样降到室温后进行打箱、落砂及线切割处理，经过精加工后即可获得高硼高钒高速钢产品。
进行保温处理时，保温温度为1510～1520℃，保温时间为10～12min，保温温度处于铁的熔点之上，使浇注溶液保持液态并充分混合，元素均匀分布，避免产生偏析等缺陷。
定向凝固装置涂料层的厚度为0.8～1.1mm，可以减轻高温液态金属对铸型的“热击”作用，降低型臂的内应力，避免铸件开裂，同时还可以隔热，改善铸型的充填性能。
浇注温度为1420～1430℃，较Fe-B合金相图液相线温度1381℃稍高，保持了一定过热度，保证了高质量的浇注铸件。
浇注前扒渣和脱氧，将保温剂(珍珠岩)均匀覆盖在冒口表面定向凝固装置上方，冷却速度为12.1～12.3℃/s，凝固时间为19.0～21.0s完成定向凝固阶段，确保铸件凝固过程中充型能力好、补缩条件优良、热裂纹容易愈合，获得致密和健全的铸件。
定向凝固装置中采用距冷端底部5mm的同一水平面处内置4个侧向热电偶加热系统为测温方式，并采用方块形高纯度纯铁底部内镶嵌小块方形铜块进行嵌套式激冷装置的复合冷却系统，方形纯铁尺寸为300mm×300mm×300mm，最底部中心线处距离纯铁顶面100mm处内置内置尺寸为150mm×150mm×200mm的紫铜块，纯铁与内镶块紫铜贴合面属紧配合，提高了铸件的冷却速度，使铸件获得了必需的温度梯度形成了理想的定向凝固柱状晶组织。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.176％～25.177％废钢、41.850％～41.860％纯铁、1.038％～1.039％锰铁、0.463％～0.464％硅铁、4.893％～4.894％生铁、8.520％～8.521％低碳铬铁、10.899％～10.900％硼铁、1.554％～1.555％钨铁、1.121％～1.122％钼铁、4.148％～4.149％钒铁、0.335％～0.336％钛铁。
实施例1
定向凝固试样制备
本发明选用生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁合金作为原材料。分别加入25.176％废钢(废钢的化学组成及其质量分数为0.300％C、0.300％Si、0.500％Mn，余量为Fe)、41.852％纯铁(纯铁的化学成分质量分数为0.003％C、0.020％Si、0.150％Mn，余量为Fe)、1.038％锰铁(锰铁的化学成分质量分数为6.410％C、1.630％Si、65.900％Mn，余量为Fe)、0.463％硅铁(硅铁的化学成分质量分数为0.100％C、73.100％Si，余量为Fe)、4.893％生铁(生铁的化学成分质量分数为4.270％C、0.900％Si、0.113％Mn，余量为Fe)、8.520％低碳铬铁(低碳铬铁的化学成分质量分数为0.240％C、59.000％Cr、1.700％Si，余量为Fe)、10.900％硼铁(硼铁的化学成分质量分数为0.320％C、0.760％Si、18.150％B，余量为Fe)、1.554％钨铁(钨铁的化学成分质量分数为0.060％C、0.290％Si、0.160％Mn，78.507％W，余量为Fe)、1.121％钼铁(钼铁的化学成分质量分数为0.034％C、0.750％Si、62.597％Mo，余量为Fe)、4.148％钒铁(钒铁的化学成分质量分数为0.310％C、1.010％Si、51.896％V，余量为Fe)和0.335％钛铁(钛铁的化学成分质量分数为0.002％C、0.015％Si、30.009％Ti，余量为Fe)。
本发明具体制备及最佳定向凝固工艺如下：
S1、用生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁、钛铁作为原材料依次加入熔炼炉中熔炼，随后进行铝脱氧和底部吹氩精炼处理，得到成分合格、清洁无杂质的高硼高钒高速钢钢水。熔炼时先加废钢、生铁和工业纯铁，然后加入钼铁、铬铁、钨铁、钒铁、锰铁和硅铁，当炉温为1550℃时加入硼铁和钛铁后用钢液进行烫包处理，随后在炉底中加入0.148g铝丝脱氧，采用炉底脱氧法，烫包后的钢水回炉，并在炉底吹氩气精炼10min，并进行钢水成分检验，最后获得成分合格、洁净度好的优质钢水。之后对熔清的钢水进行1510℃过热保温处理，过热度为49.8℃。熔体保温处理的温度为1510℃，保温时间为10min。浇注前砂型烘干处理，温度保持在250℃，保温6h；
S2、保温后，将试样装入定向凝固装置中，采用定向凝固装置进行定向凝固处理，采用热电偶测温方式，采用纯铁内镶铜块作为“冷铁”进行冷却，装置涂料层厚度为0.8mm,浇注温度为1420℃，浇注前扒渣和脱氧，浇注完后将保温剂(珍珠岩)均匀覆盖在定向凝固装置上方，冷却速度为12.1℃/s，凝固时间为19.0s完成定向凝固阶段，试块降到室温后进行打箱、落砂及线切割处理，经过精加工后获得定向凝固高硼高钒高速钢。
实施例2
定向凝固试样制备
本发明选用生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁合金作为原材料。分别加入25.177％废钢(废钢的化学组成及其质量分数为0.300％C、0.300％Si、0.500％Mn，余量为Fe)、41.852％纯铁(纯铁的化学成分质量分数为0.003％C、0.020％Si、0.150％Mn，余量为Fe)、1.038％锰铁(锰铁的化学成分质量分数为6.410％C、1.630％Si、65.900％Mn，余量为Fe)、0.463％硅铁(硅铁的化学成分质量分数为0.100％C、73.100％Si，余量为Fe)、4.893％生铁(生铁的化学成分质量分数为4.270％C、0.900％Si、0.113％Mn，余量为Fe)、8.520％低碳铬铁(低碳铬铁的化学成分质量分数为0.240％C、58.809％Cr、1.700％Si，余量为Fe)、10.899％硼铁(硼铁的化学成分质量分数为0.320％C、0.760％Si、18.554％B，余量为Fe)、1.554％钨铁(钨铁的化学成分质量分数为0.060％C、0.290％Si、0.160％Mn，79.150％W，余量为Fe)、1.121％钼铁(钼铁的化学成分质量分数为0.034％C、0.750％Si、62.914％Mo，余量为Fe)、4.148％钒铁(钒铁的化学成分质量分数为0.310％C、1.010％Si、52.020％V，余量为Fe)和0.335％钛铁(钛铁的化学成分质量分数为0.002％C、0.015％Si、33.167％Ti，余量为Fe)。
本发明具体制备及最佳定向凝固工艺如下：
S1、用生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁、钛铁作为原材料依次加入熔炼炉中熔炼，随后进行铝脱氧和底部吹氩精炼处理，得到成分合格、清洁无杂质的高硼高钒高速钢钢水。熔炼时先加废钢、生铁和工业纯铁，然后加入钼铁、铬铁、钨铁、钒铁、锰铁和硅铁，当炉温为1560℃时加入硼铁和钛铁后用钢液进行烫包处理，随后在炉底中加入0.149g铝丝脱氧，采用炉底脱氧法，烫包后的钢水回炉，并在炉底吹氩气精炼8min，并进行钢水成分检验，最后获得成分合格、洁净度好的优质钢水。之后对熔清的钢水进行1510℃过热保温处理，过热度为49.9℃。熔体保温处理的温度为1514℃，保温时间为10min。浇注前砂型烘干处理，温度保持在260℃，保温6h；
S2、保温后，将试样装入定向凝固装置中，采用定向凝固装置进行定向凝固处理，采用热电偶测温方式，采用纯铁内镶铜块作为“冷铁”进行冷却，装置涂料层厚度为0.9mm，浇注温度为1425℃，浇注前扒渣和脱氧，浇注完后将保温剂(珍珠岩)均匀覆盖在定向凝固装置上方，冷却速度为12.1℃/s，凝固时间为19.5s完成定向凝固阶段，试块降到室温后进行打箱、落砂及线切割处理，经过精加工后获得定向凝固高硼高钒高速钢。
实施例3
定向凝固试样制备
本发明选用生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁合金作为原材料。分别加入25.176％废钢(废钢的化学组成及其质量分数为0.300％C、0.300％Si、0.500％Mn，余量为Fe)、41.851％纯铁(纯铁的化学成分质量分数为0.003％C、0.020％Si、0.150％Mn，余量为Fe)、1.038％锰铁(锰铁的化学成分质量分数为6.410％C、1.630％Si、65.900％Mn，余量为Fe)、0.463％硅铁(硅铁的化学成分质量分数为0.100％C、73.100％Si，余量为Fe)、4.893％生铁(生铁的化学成分质量分数为4.270％C、0.900％Si、0.113％Mn，余量为Fe)、8.521％低碳铬铁(低碳铬铁的化学成分质量分数为0.240％C、59.049％Cr、1.700％Si，余量为Fe)、10.899％硼铁(硼铁的化学成分质量分数为0.320％C、0.760％Si、18.146％B，余量为Fe)、1.554％钨铁(钨铁的化学成分质量分数为0.060％C、0.290％Si、0.160％Mn，79.150％W，余量为Fe)、1.121％钼铁(钼铁的化学成分质量分数为0.034％C、0.750％Si、61.000％Mo，余量为Fe)、4.148％钒铁(钒铁的化学成分质量分数为0.310％C、1.010％Si、52.020％V，余量为Fe)和0.336％钛铁(钛铁的化学成分质量分数为0.002％C、0.015％Si、26.460％Ti，余量为Fe)。
本发明具体制备及最佳定向凝固工艺如下：
S1、用生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁、钛铁作为原材料依次加入熔炼炉中熔炼，随后进行铝脱氧和底部吹氩精炼处理，得到成分合格、清洁无杂质的高硼高钒高速钢钢水。熔炼时先加废钢、生铁和工业纯铁，然后加入钼铁、铬铁、钨铁、钒铁、锰铁和硅铁，当炉温为1570℃时加入硼铁和钛铁后用钢液进行烫包处理，随后在炉底中加入0.15g铝丝脱氧，采用炉底脱氧法，烫包后的钢水回炉，并在炉底吹氩气精炼12min，并进行钢水成分检验，最后获得成分合格、洁净度好的优质钢水。之后对熔清的钢水进行1510℃过热保温处理，过热度为50℃。熔体保温处理的温度为1516℃，保温时间为11min。浇注前砂型烘干处理，温度保持在265℃，保温7h；
S2、保温后，将试样装入定向凝固装置中，采用定向凝固装置进行定向凝固处理，采用热电偶测温方式，采用纯铁内镶铜块作为“冷铁”进行冷却，装置涂料层厚度为0.8～1.1mm,浇注温度为1430℃，浇注前扒渣和脱氧，浇注完后将保温剂(珍珠岩)均匀覆盖在定向凝固装置上方，冷却速度为12.2℃/s，凝固时间为20.0s完成定向凝固阶段，试块降到室温后进行打箱、落砂及线切割处理，经过精加工后获得定向凝固高硼高钒高速钢。
实施例4
定向凝固试样制备
本发明选用生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁合金作为原材料。分别加入25.176％废钢(废钢的化学组成及其质量分数为0.300％C、0.300％Si、0.500％Mn，余量为Fe)、41.850％纯铁(纯铁的化学成分质量分数为0.003％C、0.020％Si、0.150％Mn，余量为Fe)、1.038％锰铁(锰铁的化学成分质量分数为6.410％C、1.630％Si、65.900％Mn，余量为Fe)、0.464％硅铁(硅铁的化学成分质量分数为0.100％C、73.100％Si，余量为Fe)、4.894％生铁(生铁的化学成分质量分数为4.270％C、0.900％Si、0.113％Mn，余量为Fe)、8.520％低碳铬铁(低碳铬铁的化学成分质量分数为0.240％C、59.300％Cr、1.700％Si，余量为Fe)、10.899％硼铁(硼铁的化学成分质量分数为0.320％C、0.760％Si、18.350％B，余量为Fe)、1.554％钨铁(钨铁的化学成分质量分数为0.060％C、0.290％Si、0.160％Mn，78.507％W，余量为Fe)、1.121％钼铁(钼铁的化学成分质量分数为0.034％C、0.750％Si、60.097％Mo，余量为Fe)、4.148％钒铁(钒铁的化学成分质量分数为0.310％C、1.010％Si、49.739％V，余量为Fe)和0.336％钛铁(钛铁的化学成分质量分数为0.002％C、0.015％Si、31.954％Ti，余量为Fe)。
本发明具体制备及最佳定向凝固工艺如下：
S1、用生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁、钛铁作为原材料依次加入熔炼炉中熔炼，随后进行铝脱氧和底部吹氩精炼处理，得到成分合格、清洁无杂质的高硼高钒高速钢钢水。熔炼时先加废钢、生铁和工业纯铁，然后加入钼铁、铬铁、钨铁、钒铁、锰铁和硅铁，当炉温为1580℃时加入硼铁和钛铁后用钢液进行烫包处理，随后在炉底中加入0.151g铝丝脱氧，采用炉底脱氧法，烫包后的钢水回炉，并在炉底吹氩气精炼14min，并进行钢水成分检验，最后获得成分合格、洁净度好的优质钢水。之后对熔清的钢水进行1510℃过热保温处理，过热度为50.1℃。熔体保温处理的温度为1518℃，保温时间为12min。浇注前砂型烘干处理，温度保持在270℃，保温8h；
S2、保温后，将试样装入定向凝固装置中，采用定向凝固装置进行定向凝固处理，采用热电偶测温方式，采用纯铁内镶铜块作为“冷铁”进行冷却，装置涂料层厚度为1.0mm，浇注温度为1435℃，浇注前扒渣和脱氧，浇注完后将保温剂(珍珠岩)均匀覆盖在定向凝固装置上方，冷却速度为12.3℃/s，凝固时间为21.0s完成定向凝固阶段，试块降到室温后进行打箱、落砂及线切割处理，经过精加工后获得定向凝固高硼高钒高速钢。
实施例5
定向凝固试样制备
本发明选用生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁合金作为原材料。分别加入25.176％废钢(废钢的化学组成及其质量分数为0.300％C、0.300％Si、0.500％Mn，余量为Fe)、41.850％纯铁(纯铁的化学成分质量分数为0.003％C、0.020％Si、0.150％Mn，余量为Fe)、1.038％锰铁(锰铁的化学成分质量分数为6.410％C、1.630％Si、65.900％Mn，余量为Fe)、0.464％硅铁(硅铁的化学成分质量分数为0.100％C、73.100％Si，余量为Fe)、4.894％生铁(生铁的化学成分质量分数为4.270％C、0.900％Si、0.113％Mn，余量为Fe)、8.521％低碳铬铁(低碳铬铁的化学成分质量分数为0.240％C、59.300％Cr、1.700％Si，余量为Fe)、10.899％硼铁(硼铁的化学成分质量分数为0.320％C、0.760％Si、18.350％B，余量为Fe)、1.554％钨铁(钨铁的化学成分质量分数为0.060％C、0.290％Si、0.160％Mn，77.840％W，余量为Fe)、1.121％钼铁(钼铁的化学成分质量分数为0.034％C、0.750％Si、61.000％Mo，余量为Fe)、4.148％钒铁(钒铁的化学成分质量分数为0.310％C、1.010％Si、52.020％V，余量为Fe)和0.335％钛铁(钛铁的化学成分质量分数为0.002％C、0.015％Si、26.460％Ti，余量为Fe)。
本发明具体制备及最佳定向凝固工艺如下：
S1、用生铁、废钢、低碳铬铁、锰铁、硼铁、钒铁、工业纯铁、钼铁、钨铁、硅铁、钛铁、钛铁作为原材料依次加入熔炼炉中熔炼，随后进行铝脱氧和底部吹氩精炼处理，得到成分合格、清洁无杂质的高硼高钒高速钢钢水。熔炼时先加废钢、生铁和工业纯铁，然后加入钼铁、铬铁、钨铁、钒铁、锰铁和硅铁，当炉温为1600℃时加入硼铁和钛铁后用钢液进行烫包处理，随后在炉底中加入0.152g铝丝脱氧，采用炉底脱氧法，烫包后的钢水回炉，并在炉底吹氩气精炼15min，并进行钢水成分检验，最后获得成分合格、洁净度好的优质钢水。之后对熔清的钢水进行1510℃过热保温处理，过热度为50.2℃。熔体保温处理的温度为1520℃，保温时间为12min。浇注前砂型烘干处理，温度保持在280℃，保温8h；
S2、保温后，将试样装入定向凝固装置中，采用定向凝固装置进行定向凝固处理，采用热电偶测温方式，采用纯铁内镶铜块作为“冷铁”进行冷却，装置涂料层厚度为1.1mm，浇注温度为1440℃，浇注前扒渣和脱氧，浇注完后将保温剂(珍珠岩)均匀覆盖在定向凝固装置上方，冷却速度为12.3℃/s，凝固时间为21.0s完成定向凝固阶段，试块降到室温后进行打箱、落砂及线切割处理，经过精加工后获得定向凝固高硼高钒高速钢。
请参阅图1，定向凝固装置采用距冷端底部5mm的同一水平面处内置4个侧向热电偶测温方式，并采用方块形高纯度纯铁底部内镶嵌小块方形铜块进行嵌套式激冷装置的复合冷却系统，方形纯铁尺寸为300mm×300mm×300mm，最底部中心线处距离纯铁顶面100mm处内置尺寸为150mm×150mm×200mm的紫铜块，纯铁与内镶块紫铜贴合面属紧配合，提高了铸件的冷却速度，使铸件获得了必需的温度梯度形成了理想的定向凝固柱状晶组织。
请参阅图2，制备了V含量为0.00wt.％、1.00wt.％和2.05wt.％的定向凝固高硼高速钢，并对其不同性能进行了对比。从不同V含量的定向凝固高硼高速钢低倍光学形貌可以看出，当V含量为0.00wt.％、1.00wt.％、2.05wt.％时，基体柱状晶结构较为明显，并沿着热流方向生长，此时合金具有良好的定向效果。当V含量为2.05wt.％时合金硬质相分布均匀，组织细密、无偏析，定向效果和V细化效果最佳。
请参阅图3，对于柱状晶组织基体(V<2.05wt.％)，一次臂、二次臂间距均随着V含量的增加而减小。当V含量为2.05wt.％时，合金柱状晶一次臂间距和二次臂间距最小值分别为220μm和20μm，细化效果较无V铸态高硼高速钢下的一二次枝晶臂尺寸分别减少52.38％和44.45％。
不同V含量一次枝晶臂、二次枝晶臂间距如表1所示
表1不同V含量高硼高速钢一次和二次枝晶臂间距
硬度测试和抗弯强度测试
测量了V含量分别为0.00wt.％、1.00wt.％和2.05wt.％定向凝固高硼高速钢合金的宏观硬度和抗弯强度并进行对比。
请参阅图4，随着V含量的增加，定向凝固合金的宏观硬度呈现出上升趋势。当V含量为2.05wt.％时，定向凝固高硼高钒高速钢垂直硬质相柱面的合金硬度达到最大值62.1HRC，较铸态不含V高硼高速钢硬度提高13.04％，较铸态质量分数为0.4％C、2.0％B、1.0％V的高硼高速钢硬度40.1HRC提高了35.42％，同时韧性也提高约32％。随着V含量的增加，合金的抗弯强度逐渐增加。当V含量为2.05wt.％时，平行硬质相柱面的合金抗弯强度达到最大值1724MPa，较铸态高硼高速钢组织提高12.41％。硬度测试结果如表2所示。
表2不同V含量高硼高速钢横截面宏观硬度测试结果
抗弯强度测量结果如表3所示。
表3不同V含量高硼高速钢抗弯强度测量结果
综上所述，本发明一种定向凝固高硼高钒高速钢制备方法，使得该种定向凝固高硼高钒高速钢具有良好的定向效果，当V含量为2.05wt.％时，合金硬质相分布均匀，组织细密、无偏析，定向效果和V细化效果最佳，细化效果较无V铸态高硼高速钢下的一二次枝晶臂尺寸分别减少52.38％和44.45％。合金的宏观硬度和抗拉强度较铸态不含V高硼高速钢硬度分别提高了13.04％和12.41％，使该种高硼高速钢变成具有硬质相取向良好、组织均匀细密且高硬度和高抗弯强度的高硼高钒高速钢，成本低廉、性能稳定、组织无偏析，为高硼高速钢这一新型耐磨材料的开发提供了新思路。
综上所述，本发明一种定向凝固高硼高钒高速钢制备方法，通过定向凝固技术可较好的控制凝固组织的晶粒取向，使得高硼高速钢呈现出一定的取向，形成连续柱状晶组织，使得材料的各项性能得到很大提高，相比于普通高硼高速钢有了更好的性能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。