碳化钒增强高速钢基复合材料制备工艺 【技术领域】
本发明属于金属基复合材料技术领域，特别涉及碳化钒增强高速钢基复合材料制备工艺。
背景技术
高速钢属于高碳高合金莱氏体钢，经过特殊工艺处理后可以得到很高的硬度，并且在高温条件下使用，仍保持高硬度和高耐磨性，因此被广泛应用到制作各种机床的切削工具，也可应用于高载荷模具、高温轴承以及其它耐热耐磨零部件等等。高速钢经过近百年的发展历史，至今已经达到相当成熟的阶段。在20世纪五六十年代，西方发达国家都普遍采用W-Mo系高速钢(以W6Mo5Cr4V2代表，即M2钢)取代大多数W系高速钢(以W18Cr4V为代表，即T1钢)，而直到上世纪80年代，W-Mo系高速钢才在我国得到迅速发展，到1994年已占高速钢总产量的近95％。这些W-Mo系高速钢主要包括：W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al(简称M1Al)、W9Mo3Cr4、W8Mo5Cr4VCo3N、W12Mo3Cr4VCo3N、W9Mo3Cr4VCo5、W12Mo3Cr4V3N、W9Mo3Cr4V3等等；还有一些低合金高速钢包括301钢、D106和GM钢等。
作为机械制造业中关键的切削技术，随着现代材料科学技术的发展也得到了飞速提升。目前，已经出现了许多超硬工具材料如TiC基硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石等，在切削速度、效率及切削难加工材料方面，显著优于高速钢。但是高速钢在韧性、工具成型性方面却是任何脆性超硬工具材料所无法企及的，尤其是在制造多刃刀具、精密刀具时具有显著地成本优势，因此在制造复杂刀具、经受较大冲击振动的切削加工以及切削一般材料方面，高速钢仍然占有重要地位，且使用量远大于硬质合金。
虽然在工具材料中，高速钢保持着基础地位，但随着现代装备技术的发展和工况的恶化，它的耐磨性亟待进行大量的改进工作。专利[200810246840.0]、[200510038980.5]、[200810010287.0]、[03140532.0]发明了层状复合高速钢轧辊的生产工艺，把球墨铸铁等低耐磨性材料铸造成轧辊的芯部，外部为高速钢材质，形成双层复合材料结构。
本发明主要采用复合工艺制备出原位化学反应合成碳化钒的高耐磨性高速钢基复合材料。
【发明内容】
本发明的目的是提供碳化钒增强高速钢基复合材料制备工艺，通过该工艺在高速钢基体中形成大量原位反应生成的碳化钒硬质相，并与高速钢有效结合为一体，充分发挥了硬质相的高耐磨特性，也保留了基体金属的良好韧性，从而达到最佳的性能匹配，可以把高速钢的耐磨性提高3倍左右。该工艺可制作多种结构形状的产品，开发应用前景广阔。
本发明的技术方案是这样实现的：
(1)用钒丝编织钒丝网(1)；
(2)将钒丝网(1)裁剪、多层卷制或叠加，预制成网状立体骨架结构；
(3)把预制成网状立体骨架进行酸洗去掉油污杂物；
(4)按铸造工艺要求制作铸型；
(5)将预制的钒丝网(1)状立体骨架放入铸型(2)；
(6)冶炼高速钢(3)，得到液态高速钢；
(7)把液态高速钢浇入铸型，获得钒丝-高速钢二元材料预制体；
(8)冷却清理后把钒丝-高速钢二元材料预制体置入热处理炉；
(9)在碳化物形成温度下保温；
(10)随炉冷却后出炉，即制成碳化钒增强高速钢基复合材料(4)。
所述钒丝(1)直径为0.1～2.5mm；所述钒丝网(1)编织成单层或多层，钒丝间距为0.2～10mm，也可根据工况需要适当增加间距。
所述步骤(2)中，根据零件的尺寸和规格来制作钒丝网(1)立体骨架结构。所述步骤(9)碳化物形成温度为1080℃～1350℃，保温时间为30min～120min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过铸渗的原理，把钒丝立体网状骨架固定在高速钢基体中制作成预制体，保证了碳化物形成元素钒在基体中的均匀性；
2、在热处理炉中，通过1080℃～1350℃，保温时间为30min～120min，使钒原子进行中长程的充分扩散，弥散到高速钢基体中，并与高速钢中的碳原子发生原位反应，自然生成碳化钒硬质相颗粒，由于1080℃～1350℃温度区低于高速钢的液化温度，因此钒原子的扩散属于固态扩散，碳化钒也是在固态下原位反应生成的，避免了碳化钒与基体金属比重差异造成的漂浮和偏析，解决了硬质相难以弥散且均匀分布的复合材料制备难题，并且可以使全部钒参与原位反应生成碳化钒。
3、碳化钒硬质相属于内部原位化学反应生成，所以碳化钒颗粒的界面洁净无污染，与高速钢基体结合成一体，具有良好的界面结合效果，避免了外加硬质颗粒等传统复合材料制备工艺上的增强相界面弱化问题，获得的复合材料既保留了高速钢的良好韧性，又有了碳化钒硬质相的高耐磨性，进一步提升了材料的磨损寿命。
4、根据零件的需要，既可以把钒丝网放置于铸型的局部，浇注高速钢后获得局部耐磨的零件，复合层厚度可根据工况要求任意调整；也可以把钒丝网放置于整个铸型型腔中，浇注高速钢后获得整体耐磨的零件，工艺可控性强。
【附图说明】
图1为本发明流程图
图2为预置钒丝网的铸型截面示意图
图3为落料衬板预制体截面示意图
图4为整体碳化钒增强高速钢基复合材料落料衬板截面示意图
图5为局部碳化钒增强高速钢基复合材料落料衬板截面示意图
【具体实施方式】
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1：制作整体复合材料落料衬板
如图1、图2、图3和图4所示，具体操作步骤如下：
(1)用0.5mm钒丝编织钒丝网1，钒丝间距为2mm；
(2)钒丝网1按落料衬板长度和高度规格裁剪成矩形；
(3)把矩形钒丝网1进行酸洗；
(4)按铸造工艺要求制作铸型2；
(5)把裁剪好的钒丝网1多层叠加，并放置入水玻璃砂型2的型腔；
(6)冶炼高速钢3，得到液态高速钢；
(7)采用重力铸造方法把液态高速钢3浇入铸型，使液态高速钢充满网状立体骨架的空隙，获得钒丝-高速钢二元材料预制体；
(8)冷却脱型清理后，把钒丝-高速钢二元材料预制体置入热处理炉；
(9)在1300℃温度左右下保温60min；
(10)随炉冷却后出炉，即得到整体碳化钒增强高速钢基复合材料落料衬板4。
实施例2：制作局部复合材料落料衬板
如图1和图5所示，具体操作步骤如下：
(1)用2.0mm钒丝编织钒丝网1，钒丝间距为10mm
(2)钒丝网1按落料衬板长度和一半高度规格裁剪成矩形；
(3)把矩形钒丝网进行酸洗；
(4)按铸造工艺要求制作铸型2；
(5)把裁剪好的钒丝网1多层叠加，并放置入水玻璃砂型2的型腔；
(6)冶炼高速钢3，得到液态高速钢；
(7)采用重力铸造方法把液态高速钢3浇入铸型，获得局部钒丝-高速钢二元材料预制体；
(8)冷却脱型清理后，把局部钒丝-高速钢二元材料预制体置入热处理炉；
(9)在1150℃温度左右下保温120min；
(10)随炉冷却后出炉，即得到局部碳化钒增强高速钢基复合材料落料衬板4。