阅读说明：本技术 一种高硬度粉末钢及其热处理方法 (High-hardness powder steel and heat treatment method thereof ) 是由 林仕坚 崔靖 孙晓林 吴建华 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高硬度粉末钢及其热处理方法,所述粉末钢按质量百分比包括：C 1.8-2.5％、Si≤0.2％、Mn≤0.4％、Cr 4.0-5.2％、W 12-14％、V 5.6-6.8％、Co 9-11％,其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述粉末钢合金和碳含量高,采用粉末冶金工艺制造,其热处理方法参数主要为：淬火处理为：真空淬火温度为(1100～1200)℃×(0.5～4)h,真空气淬,气体压力4～8bar；深冷处理为：在超低温深冷箱中在-100至-190℃处理(1～10)h；回火处理为：500～600℃保温2～6h,回火2～3次,出炉后空冷。经测试合金硬度可达70-72HRC,碳化物细小弥散、残余奥氏体少,耐磨性和红硬性高,并保持优良的韧性,可用于滚齿刀、高速冲压模等的加工制造,较常规高速钢具有更高的使用寿命。(The invention provides high-hardness powder steel and a heat treatment method thereof, wherein the powder steel comprises the following components in percentage by mass: 1.8 to 2.5 percent of C, less than or equal to 0.2 percent of Si, less than or equal to 0.4 percent of Mn, 4.0 to 5.2 percent of Cr, 12 to 14 percent of W, 5.6 to 6.8 percent of V, 9 to 11 percent of Co, and the balance of Fe and inevitable impurity elements. The powder steel has high alloy and carbon content, is manufactured by adopting a powder metallurgy process, and has the following parameters in the heat treatment method: the quenching treatment comprises the following steps: the vacuum quenching temperature is 1100-1200℃ x (0.5-4) h, and the vacuum gas quenching is carried out at the gas pressure of 4-8 bar; the cryogenic treatment comprises the following steps: treating for 1-10 h at-100 to-190 ℃ in an ultralow temperature deep cooling box; the tempering treatment comprises the following steps: keeping the temperature at 500-600 ℃ for 2-6 h, tempering for 2-3 times, and air cooling after discharging. The alloy hardness can reach 70-72HRC through testing, the carbide is fine and dispersed, the residual austenite is less, the wear resistance and the red hardness are high, the excellent toughness is kept, the alloy can be used for processing and manufacturing a hobbing cutter, a high-speed stamping die and the like, and the service life is longer than that of the conventional high-speed steel.)

一种高硬度粉末钢及其热处理方法

技术领域

本发明涉及粉末钢技术领域，具体为一种高硬度粉末钢及其热处理方法。

背景技术

高速工具钢被广泛用于车刀、铣刀、冲压模、拉刀等工具的制造，在工业制造中占据着非常重要的地位。高速工具钢中主要含有钨、钼、铬、钒、钴等碳化物形成元素以及1％以上的碳元素，这些元素固溶于基体中或形成碳化物，保证了高速工具钢在高速切削或冲压下仍能保持高的硬度，高速工具钢的硬度一般在60HRC～68HRC之间。

合金中高含量的碳和碳化物形成元素容易导致凝固过程中生成大尺寸的共晶碳化物，对高速工具钢中的大块碳化物尺寸和碳化物不均匀度均提出了非常高的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高硬度粉末钢及其热处理方法，解决了常规高速钢硬度不足、红硬性和耐磨性不佳及硬质合金韧性低成本高的问题，提高了合金的使用寿命和性价比。

本发明所采取的技术方案是：一种高硬度粉末钢及其热处理方法，所述合金采用粉末冶金工艺制造，所述粉末钢的质量百分比包括：C 1.8-2.5％、Si≤0.2％、Mn≤0.4％、Cr 4.0-5.2％、W 12-14％、V 5.6-6.8％、Co 9-11％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

优选的，所述粉末钢中元素按质量百分比为：C 2.3％、Si 0.07％、Mn 0.05％、Cr4.2％、W 12.2％、V 5.7％、Co 9.5％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

优选的，所述粉末钢中元素按质量百分比为：C 2.1％、Si 0.05％、Mn 0.1％、Cr4.8％、W 12.9％、V 6.1％、Co 10.3％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明还公开了一种高硬度粉末钢的热处理工艺，具体包括以下步骤：

(1)淬火处理为：真空淬火温度为(1100～1200)℃×(0.5～4)h，真空气淬，气体压力4～8bar；

(2)深冷处理为：在超低温深冷箱中在-100至-190℃处理(1～10)h；

(3)回火处理为：500～600℃保温2～6h，回火2～3次，出炉后空冷。

在相同条件下，本发明产品的使用寿命与硬质合金相比具有更强韧性，可满足对硬度和韧性均有较高要求的车刀、铣刀、高速冲压模等工况。经过粉末冶金工艺制备，本发明高速钢中的碳化物不均匀度控和大块碳化物尺寸制在2级以内。

所述粉末钢热处理后本发明粉末钢的硬度为64～72HRC。制成的10×10×55mm零件无缺口冲击功为5～12J，其中最高硬度可达70～72HRC，具有非常高的硬度和较高的韧性。

本发明具有如下有益效果：

第一，本发明通过提高合金中的钨、钒和碳含量以提高合金硬度、红硬性和耐磨性，其中高含量的钴确保合金具有优越的红硬性。本发明采用粉末冶金工艺熔炼该高速工具钢实现对碳化物尺寸和不均匀度的有效控制，经过合适的热处理工艺后硬度可达70HRC以上。与M42、ASP2023、ASP2060等高速钢相比本发明中的高速钢硬度更高、耐磨性和红硬性更佳。

第二，所述粉末钢中的碳化物弥散细化、晶粒和马氏体细小，红硬性、耐磨性显著高于M42、ASP2023等传统高速钢和粉末高速钢，韧性明显高于硬质合金，用于滚齿刀、高速冲压模等的使用寿命大幅提高。

附图说明

图1为本发明高硬度粉末钢的热处理方法流程图。

图2为本发明高硬度粉末钢的硬度与冲击功。

图3为本发明高硬度粉末钢淬火后的组织。

图4为本发明高硬度粉末钢最终热处理后的组织。

图5表2的冲压产品形状。

具体实施方式

下面将结合图1-5和实施例1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的具体实施例叙述如下。

实施例1：该高硬度粉末钢中元素按质量百分比为：C 2.0％、Si 0.05％、Mn0.05％、Cr 4.9％、W 12.5％、V 5.7％、Co 9.5％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

(1)淬火处理：粉末钢装入真空淬火炉后升温，升温速率不超过300℃/h，在600℃保温1h后升温至870℃保温0.5h，然后在1150℃保温1h后进行真空气淬，气体压力为8bar；

(2)深冷处理：当冷却温度低至80℃后，将粉末钢装入超低温深冷箱中，在-120℃处理4h；

(3)回火处理：将粉末钢装入箱式炉中，在520～540℃保温2h后出炉空冷，回火2～3次；

(4)粉末钢热处理后的硬度为66HRC时，无缺口冲击功为10J。

实施例2：该高硬度粉末钢中元素按质量百分比为：C 2.3％、Si 0.07％、Mn0.05％、Cr 4.2％、W 12.2％、V 5.7％、Co 9.5％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

(1)淬火处理：粉末钢装入真空淬火炉后升温，升温速率不超过300℃/h，在550℃保温1h后升温至850℃保温0.5h，然后在1160℃保温1h后进行真空气淬，气体压力为7bar；

(2)深冷处理：当冷却温度低至80℃后，将粉末钢装入超低温深冷箱中，在-120℃处理4h；

(3)回火处理：将粉末钢装入箱式炉中，在500℃保温2h后出炉空冷，回火2～3次；

(4)粉末钢热处理后的硬度为68HRC时，无缺口冲击功为8J。

实施例3：该高硬度粉末钢中元素按质量百分比为：C 2.1％、Si 0.05％、Mn0.1％、Cr 4.8％、W 12.9％、V 6.1％、Co 10.3％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

(1)淬火处理：粉末钢装入真空淬火炉后升温，升温速率不超过300℃/h，在600℃保温1h后升温至850℃保温0.5h，然后在1180℃保温1h后进行真空气淬，气体压力为6bar；

(2)深冷处理：当冷却温度低至80℃后，将粉末钢装入超低温深冷箱中，在-150℃处理5h；

(3)回火处理：将粉末钢装入箱式炉中，在500～520℃保温2h后出炉空冷，回火2～3次。

(4)粉末钢热处理后的硬度为70HRC时，无缺口冲击功为7J。

实验例：将本发明高硬度粉末钢与ASP2023等粉末钢制成模具后冲压为图5所示的常规零件结构。以下通过对实验的模具硬度、无缺口冲击功、冲压模次、失效方式等参数进行分析，从而对比不同钢种的韧性与使用寿命，

表1各实施例与现有合金的无缺口冲击功对比

本申请附图2中所示的66HRC数据组为实施例1，所示的68HRC数据组为实施例2，所示的70HRC数据组为实施例3。尽管表1中的某硬质合金的硬度可以达到70HRC，但其较低的冲击功并不适用于高载荷工况。

表2用于不锈钢冲压时的使用寿命对比

从表2可以看出本发明高硬度粉末钢在硬度为64HRC时冲压模次达到6000次，使用寿命和抗磨损性能显著高于ASP2023粉末钢5000次，此时本发明高硬度粉末钢主要失效方式为磨损。

当本发明高硬度粉末钢硬度提高至66HRC后冲压模次达到16000次，此时ASP2060冲压模次为5000即发生磨损与崩齿，而发明高硬度粉末钢未发生崩齿，与发明钢种较高的冲击功有关。

当本发明高硬度粉末钢提高硬度至68HRC后未发生明显磨损，使用寿命达到29000模次，而ASP2060冲压8000次即发生崩齿，若本发明高硬度粉末钢未发生异常开裂其使用寿命还会更高。

综上所述，本发明高硬度粉末钢不但硬度可达70～72HRC，而且在硬度为64-68HRC的高硬度条件下，兼具极高的耐磨损性能和冲击韧性，显著提高了冲压模具的使用寿命。在现有技术中ASP2023具有无缺口冲击功较高但硬度和耐磨损性能较低，ASP2060可达到68HRC但耐磨损和冲击低，而表1中的硬质合金硬度和耐磨损高但无缺口冲击功较低。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。