本发明涉及粉末成型领域，特别涉及耐磨钢粉末及耐磨钢复杂零件的制备工艺。
背景技术：
1、耐磨钢是一种兼具高强度和卓越耐磨性能的合金材料，广泛应用于需要高精度和高耐久性的精密零件领域，如航空航天、汽车制造、医疗器械和电子零件中。这些应用场景对材料的力学性能、耐磨性能和尺寸精度有着极为严格的要求，因此对耐磨钢的需求不断增长。
2、传统的耐磨钢制备方法主要包括冶金铸造、热轧及机械加工等。然而，这些方法存在显著的不足之处。首先，传统方法难以实现精确的成分控制，导致材料性能不均匀，影响其在高精度应用中的可靠性。其次，铸造和热轧过程中容易产生气孔、偏析等缺陷，这些缺陷不仅降低了材料的力学性能，还可能在使用过程中引发裂纹和破损。此外，传统制备方法生产复杂形状的小型精密零件时效率低下，成本高昂。
3、金属粉末注射成型(mim)技术在制备耐磨钢方面展现出诸多优势。mim结合了粉末冶金和塑料注射成型的优点，能够高效、精准地制造复杂形状和高性能的金属零部件。具体而言，mim技术具有以下优势：首先，它可以实现高精度的成分控制，确保材料的均匀性和一致性；其次，在低温条件下成型，减少了热处理过程中的组织缺陷，提高了材料的整体性能；此外，mim适用于大规模生产，能够显著降低生产成本。
4、尽管mim技术在制备耐磨钢方面具有显著优势，但其工艺仍存在一些不足。例如，合金粉末的选择和配比对最终材料性能有着至关重要的影响。如果合金粉末成分不合理，成品的力学性能和耐磨性能将不理想。此外，成型后的烧结和热处理工艺直接影响材料的微观结构和宏观性能。目前的热处理工艺在提升材料性能方面还有较大的改进空间。
5、本发明旨在通过优化合金粉末的成分以及改进热处理工艺两方面来提升耐磨钢的性能。首先，通过调整合金粉末的配比，采用多元合金设计，提高材料的综合性能；其次，优化热处理工艺，特别是烧结和后续的淬火回火工艺，以改善材料的微观结构和宏观性能。这种双重优化策略不仅能够充分发挥mim技术的优势，还能有效提升耐磨钢的整体性能，满足精密零件制造领域对高性能材料的需求。
技术实现思路
1、本发明的第一个目的是提供一种能够用于粉末成型工艺，且通过粉末成型工艺能够获得高性能产品的耐磨钢粉末。
2、实现本发明第一个目的的技术方案是：本发明中耐磨合金粉末的主要成分及其具体含量为c：1.6-1.8％，cr：11-13％，mo：0.8-1.2％，v：0.2-0.5％；si≤0.4％，mn≤0.4％，s≤0.03％，p≤0.03％，cu≤0.25％，ni≤0.5％，nb≤1.0％，o≤0.4％，其余为fe。在传统skd11合金的基础上增添了适量的s、p、cu、ni，nb元素，并将c元素的含量提高到1.6-1.8％。这样的成分设计使得本发明的合金粉末在性能上具备多方面的优势，并体现出显著的创新点，具体如下：
3、(1)高硬度和高强度：碳含量在1.6-1.8％之间，使得合金具有极高的硬度和强度。碳与铬、钼、钒等元素形成碳化物，进一步增强了材料的耐磨性能和抗冲击能力。这种高硬度和高强度的特点，使得本发明的合金粉末特别适用于需要承受高负荷和强烈磨损的精密零件。
4、(2)优异的耐磨性能：铬含量在11-13％，显著提高了合金的耐磨性。铬元素不仅形成了耐磨的碳化物，还提高了合金的抗氧化和耐腐蚀性能。这使得合金在恶劣工作环境下仍能保持良好的性能，延长了使用寿命。
5、(3)高温性能：钼含量在0.8-1.2％，使合金在高温条件下仍能保持稳定的机械性能。钼提高了钢的强度和耐热性，特别是在高温环境中，能够有效防止软化和变形。
6、(4)细化晶粒：钒含量在0.2-0.5％，有助于细化合金的晶粒结构。钒的存在能够改善合金的韧性和强度，减少裂纹的产生，提高材料的整体性能。
7、(5)低含量的有害元素：硅(≤0.4％)、锰(≤0.4％)、硫(≤0.03％)、磷(≤0.03％)
8、等有害元素的含量较低，有效避免了这些元素对材料性能的不利影响。低硫和低磷含量减少了脆性相的形成，确保了合金的韧性和延展性。
9、(6)综合性能：铜(≤0.25％)和镍(≤0.5％)的适量添加，进一步提高了合金的耐腐蚀性能和强度。氧(≤0.4％)的控制，保证了粉末在烧结过程中的致密度和最终成品的机械性能。
10、本发明通过精确控制各主要成分的含量，实现了耐磨合金粉末的最佳性能组合。高碳、铬、钼和钒的协同作用，显著提升了合金的耐磨性、硬度和高温性能。通过严格控制硅、锰、硫、磷等杂质含量，减少了这些元素对合金性能的不利影响，确保了材料的高纯度和高性能。本发明不仅注重单一性能的提升，更注重综合性能的平衡。通过适量添加铜和镍，提高了合金的耐腐蚀性和综合机械性能，使得材料在多种严苛环境下均能表现出色。
11、结合优化的合金成分设计，本发明采用粉末注射成型技术，使得复杂形状的精密零件能够高效、精准地制造。这种工艺不仅提高了生产效率，还显著降低了生产成本，具有重要的工业应用价值。综上所述，本发明的耐磨合金粉末在成分设计和工艺优化方面展现出显著的优势和创新点。其优异的机械性能和耐磨性能，使其在高端精密零件制造领域具有广阔的应用前景。
12、本发明的第二个目的是提供一种耐磨钢复杂零件的制备工艺；由于金属粉末注射成型(metal powder injection molding)技术作为粉末冶金成型技术的一种。本发明正是通过粉末成型技术，有效解决了通过耐磨钢制备复杂零件，尤其是复杂微型零件的困境。并通过合适的脱脂、烧结与热处理工艺，进一步提高了其力学性能。
13、提供一种用于粉末成型复杂零件的脱脂、烧结和热处理工艺，该工艺通过适当催化脱脂制度以及分阶段烧结制度，淬火与回火制度，调整温度和时间参数，可实现耐磨钢材料的力学性能的提高，为后期获得高性能的耐磨钢复杂零件(尤其是微型零件)提供有利条件。本发明中的用于粉末成型复杂零件的制备工艺包括如下步骤：
14、s1、制备上述的超高耐磨强钢喂料：将上述耐磨钢粉末和粘结剂按照最佳装载量放入喂料制备机内均匀混合制备获得耐磨钢喂料；
15、s2、注射成型：通过注射成型获得注射坯。将步骤s2制备的耐磨钢喂料置于粉末注射成型机中，注射到模具型腔内，形成注射坯；
16、s3、脱脂：对于注射坯进行脱脂，形成脱脂坯；
17、s4、烧结：将脱脂坯置于单体烧结炉中，进行烧结获得烧结坯；
18、s5、热处理：对烧结坯进行热处理获得最终件。
19、上述步骤s2，当采用注射成型时，将步骤s1制备的耐磨钢喂料置于粉末注射成型机中，在100～200mpa注射压力和150～200℃的注射温度条件下注射到模具型腔内，形成注射坯。
20、上述步骤s3中，使用n2对通过注射成型的注射坯进行负压脱脂，形成脱脂坯，脱脂分成三个阶段，催化温度与时间分别为：第一阶段300℃，维持90min，第二阶段650℃，维持240min，第二阶段650℃，维持20min；脱脂过程中n2的流量为30l/min。
21、上述步骤s4中的烧结工艺通过在分阶段控制烧结温度、保温时间和压力，以及在ar气氛下进行分压烧结，有效地控制了合金粉末的烧结过程，具体分析如下：
22、(1)第一阶段烧结(1000～1200℃/4～5h，压力10kpa，气体流量15l/min)：在1200℃
23、下进行保温4小时，有助于促进合金粉末的初步烧结，减少内部孔隙并提高致密度。10kpa的压力和15l/min的气体流量控制有助于防止氧化，同时促进烧结体内部的均匀致密化。
24、(2)第二阶段烧结(1200～1220℃/4～5h，压力10kpa，气体流量15l/min)：在略高于第一阶段的温度下延长保温时间，进一步提高烧结坯的致密度和强度。持续的压力和气体流量控制确保了烧结过程中的稳定性，减少了晶粒的粗化。
25、(3)第三阶段烧结(1000～1200℃/1h，压力30kpa，气体流量10l/min)：降低温度并增加压力，有助于进一步减少残余孔隙，提高材料的机械性能。增加的压力在较低温度下促进了微观结构的均匀化。
26、(4)快速冷却：在烧结完成后1小时内强制冷却至30℃，并在86kpa的压力下进行，
27、确保了烧结坯的快速致密化和高强度。
28、这些阶段性的温度和压力变化有助于在保持细小晶粒尺寸的同时，实现高致密度和优异的力学性能。
29、上述步骤s5中的热处理工艺，包括淬火和回火，通过精确控制温度和时间，优化了材料的微观结构和性能，具体说明如下：
30、(1)淬火工艺：第一次预热(650℃，升温30分钟，保温2小时)：初步加热消除了内部应力，减少了随后加热过程中的热裂纹风险。第二次预热(850℃，升温20分钟，保温2小时)：进一步均匀加热，提高了材料的塑性，准备好进行更高温度的处理。第三次加热(1030℃，升温20分钟，保温1.5小时)：在奥氏体化温度下长时间保温，确保了碳和合金元素的充分扩散，形成均匀的奥氏体。冷却方式为气淬，介质温度：20～60℃，冷却至气体温度。然后空冷至室温，获得了马氏体组织，提高了硬度和强度。
31、(2)回火工艺：回火温度为550℃～600℃，回火时间为3～4h；适当的回火温度能够释放材料内部的应力，调整和稳定马氏体相，提高韧性和抗冲击性能，同时保持所需的硬度。
32、通过这种分阶段的烧结和热处理工艺，优化了耐磨钢的微观结构，细化了晶粒尺寸，控制了相变过程，最终提高了材料的综合性能，使其在高强度和高耐磨性应用中表现出色。
33、本发明具有积极的效果：
34、(1)成分优化：本发明深入研究了耐磨钢粉末的元素含量对产品性能的影响。通过严格控制元素含量，特别是对c、cr、mo、v等关键元素的精确配比，实现了高硬度和高耐磨性能的平衡。通过优化合金成分，充分发挥各元素的协同作用，显著提高了材料的综合性能，使其在高磨损环境中表现优异。
35、(2)烧结工艺优化：本发明首次采用精密粉末注射成型工艺制备耐磨钢零件。通过独特的分段烧结工艺及在烧结过程中严格控制温度、压力和气氛，使烧结坯在高致密度和均匀微观结构上获得最佳表现。尤其是在ar气氛下进行分压烧结，经过多阶段温度控制和气流调节，使得最终产品具有优异的机械性能和显著的耐磨性。
36、(3)热处理工艺优化：本发明对烧结坯进行了精细的热处理工艺设计，包括多次预热、精确淬火和适当回火。通过精确控制预热、淬火和回火温度及时间，优化了材料的微观结构，细化了晶粒尺寸，控制了相变过程，最终提高了材料的综合性能。尤其是，通过避免使用如深冷处理、热等静压处理、多次时效处理等增加工序或生产成本的工艺方式，本发明的热处理工艺简单高效，能够在不增加额外成本的情况下，实现优异的机械性能。
37、通过上述工艺优化，本发明制备的耐磨钢零件在硬度、耐磨性和机械强度等方面表现卓越，适合于高精度、高强度和高耐磨要求的复杂零件制造。该工艺不仅简化了生产流程，降低了生产成本，而且具有极高的工业化生产潜力，为耐磨钢在精密机械、模具制造、航空航天、3c类产品等领域的广泛应用提供了革命性的技术支持。
1.一种耐磨钢粉末，其特征在于以质量百分比包含如下成分：c：1.6-1.8％，cr：11-13％，mo：0.8-1.2％，v：0.2-0.5％；si≤0.4％，mn≤0.4％，s≤0.03％，p≤0.03％，cu≤0.25％，ni≤0.5％，nb≤1.0％，o≤0.4％，其余为fe。
2.耐磨钢复杂零件的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的耐磨钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：所述步骤s3的催化脱脂过程为，使用n2对通过注射成型的注射坯进行负压脱脂，形成脱脂坯，脱脂分成三个阶段，催化温度与时间分别为：第一阶段300℃，维持90min，第二阶段650℃，维持240min，第二阶段650℃，维持20min；脱脂过程中n2的流量为30l/min。
4.根据权利要求2所述的耐磨钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：所述步骤s4的烧结过程为，将脱脂坯置于单体烧结炉中，在ar气氛下进行分压烧结，得到烧结坯；烧结温度t和压力分别为：第一阶段1000～1200℃，压力10kpa，气体流量为15l/min；第二阶段1200～1250℃，压力10kpa，气体流量为15l/min；第三阶段1000～1200℃，压力30kpa，气体流量为10l/min；前两阶段每阶段的烧结时间为4～5h，第三阶段的烧结时间为1h，并根据烧结温度的浮动进行调整；烧结完成后在1h内强制冷却至30℃，压力为86kpa。
5.根据权利要求2所述的耐磨钢复杂零件的制备工艺，其特征在于：所述步骤s6的热处理过程为：先进行淬火：第一次预热温度：650℃，升温时间30分钟，保温时间2小时；第二次预热温度：850℃，升温时间20分钟，保温时间2小时；第三次升温温度：1030℃，升温时间20分钟，保温时间1.5小时；冷却：冷却方式：气淬，介质温度：20～60℃，冷却至气体温度；随后，空冷，hrc＝60～63；然后进行回火：回火温度为550℃～600℃，回火时间为3～4h；回火后空冷至室温即可。
