（材料加工工程专业论文）喷射成形w9mo3cr4v高速钢的组织及性能.pdf

暗尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 本论文对喷射成形快速凝固 w9 mo 3 c r 4 v高速钢的组织和性能以及高 速钢过喷粉末进行了研究，主要内容包括沉积坯的组织特征及形成机制，沉 积层中的孔隙形态与分布以及室温下的主要力学性能，快速凝固过程中高速 钢过喷粉末的凝固特征以及其中的碳化物。 喷射成形 w9 m o 3 c r 4 v高速钢具有典型的等轴晶组织，与普通铸态相 比， 其组织细小、 均匀，晶 粒尺寸一般为2 0 - 3 0 t m 。对沉积态组织形成机制 研究表明在沉积过程中半凝固态雾滴高速撞击沉积表面时破碎成细小的颗 粒，最终在沉积坯内形成大量细小的、均匀的等轴晶组织。在沉积坯基体上 仍然分布着一定数量相互隔离、形状各异的孔隙。 铸态高速钢由马氏 体、一次共晶碳化物( 羽毛状的m z c和鱼骨状的m 6 c ) 组成;而沉积态高速钢主要由马氏体、奥氏体和碳化物组成，其中碳化物多 数是m6 c型，并有少量的mc型。通过t e m观察发现晶粒内部有方形和条 形的碳化物颗粒。 高速钢过喷粉末由马氏体、残余奥氏体和极少量的碳化物组成。过喷粉 末中碳化物的含量随颗粒粒度无明显变化，含量约 5 % 左右，其中的碳化物 主要是 mc和 m z c型，主要富集钨和铝元素。高速钢粉末呈圆整的球形， 粉末颗粒表面凹凸不平，并附带有许多卫星颗粒。粉末颗粒尺寸越大，表面 凹凸不平度越显著;随着粉末尺寸减小，表面越来越光滑。内部组织以网状 碳化物为特征，随着颗粒尺寸的减小，碳化物单元和碳化物网变得更加细 小。 喷射沉积 w9 m o 3 c r 4 v高速钢的室温力学性能测试表明，沉积态高速 钢的硬度和弯曲强度均高于铸态高速钢，是因为沉积态的组织要细小均匀; 而沉积态高速钢的冲击韧性却低于铸态的，是由于沉积态高速钢中存在较多 的孔隙及含有降低其韧性的m6 c型碳化物。 关键词喷射成形;w9 mo 3 c r 4 v ;组织与性能;碳化物 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 ab s t r a c t t h e s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s a n d o v e r s p r a y p o w d e r o f s p r a y - f o r m e d w9 m o 3 c r 4 v h i g h - s p e e d s t e e l h a v e b e e n s t u d i e d . t h e m a i n i n t e r e s t s w e r e p l a c e d o n t o t h e m i c r o s t r u c t u r e c h a r a c t e r s o f d e p o s i t e d l a y e r a n d i t s f o r m i n g m e c h a n i s m , t h e p a t t e r n a n d d i s t r i b u t i o n o f p o r e s a n d i t s m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a t r o o m t e m p e r a t u r e . t h e s o l i d i f i c a t i o n c h a r a c t e r o f a t o m i z e d p o w d e r a n d c a r b i d e s i n s i d e i t h a s a l s o b e e n r e p o rt e d . s p r a y - f o r m e d w9 mo 3 c r 4 v h i g h - s p e e d s t e e l h a s a t y p i c a l e q u i a x e d s t r u c t u r e . c o m p a r e d w i t h c o n v e n t i o n a l c a s t i n g , i t s m i c r o s t r u c t u r e i s f i n e r a n d m o r e h o m o g e n e o u s , a n d it s g r a i n s i z e i s 2 0 - 3 0 u m. t h e s t u d y o f t h e f o r m i n g m e c h a n i s m o f d e p o s i t e d l a y e r s h o w e d t h a t d e n d r i t e f r a g m e n t s b r o k e n b y t h e c o l l i s i o n o f s e m i - s o l i d i f i e d d r o p l e t s o n d e p o s i t i o n c a n a c t a s n e w n u c l e u s a n d c o n t i n u e t o g r o w a n d c o a r s e n w h i c h r e s u l t s i n a n e q u i a x e d s t r u c t u r e . t h e r e a r e s t i l l p o r e s i n t h e m a t r i x o f d e p o s i t e d m a t e r i a l , w h i c h i n v o l v e g a s p o r o s i t y , f i l l i n g o f f i c e a n d s o l i d i f i c a t i o n s h r i n k a g e . a s - c a s t h i g h - s p e e d s t e e l i s m a i n l y c o m p o s e d o f m a r t e n s i t e a n d p r i m a r y e u t e c t i c c a r b i d e s ( p e n n i f o r m m2 c a n d m 6 c ) ; a s - d e p o s i t e d h i g h - s p e e d s t e e l i s m a i n l y c o m p o s e d o f m a r t e n s i t e , a u s t e n i t e a n d c a r b i d e s w h i c h c o m p r i s e mc c a r b i d e a n d m 6 c c a r b i d e . s t r i p a n d q u a d r a t e c a r b i d e s h a v e b e e n o b s e r v e d i n s i d e g r a i n s b y s e m. a t o m i z e d p o w d e r i s c o m p o s e d o f ma rt e n s i t e , r e t a i n e d a u s t e n i t i c a n d c a r b i d e s . t h e c o n t e n t o f c a r b i d e i n p o w d e r i s i n s e n s i t i v e t o t h e s i z e o f p o w d e r , s h o w i n g a p e r c e n t o f a b o u t 5 % ， a n d i t s t y p e i s mc a n d m 2 c w h i c h i s r i c h i n t u n g s t e n a n d m o l y b d e n u m . t y p i c a l l y , t h e p a r t i c l e s a r e s p h e r i c a l i n s h a p e w i t h r e l a t i v e l y s m o o t h s u r f a c e s . i n e a c h s i z e f r a c t i o n , s m a l l s a t e l l i t e s a r e p r e s e n t . t h e b i g g e r t h e p a r t i c l e i s , t h e m o r e a c c i d e n t e d t h e p a rt i c l e s s u r f a c e i s . t h e s u r f a c e i s s m o o t h e r w i t h t h e d e c r e a s e o f p a rt i c l e s i z e . a n d it s m i c r o s t r u c t u r e i s c h a r a c t e r i z e d b y n e t w o r k o f c a r b i d e s w h i c h d e c r e a s e w i t h t h e r e d u c t i o n o f p a r t i c l e s i z e . t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t e s t s o f d e p o s i t e d w9 mo 3 c r 4 v h i g h - s p e e d s t e e l , n a m e l y t h e h a r d n e s s a n d b e n d i n g s t r e n g t h a r e h i g h e r t h a n t h a t o f c o n v e n t i o n a l ly n 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 c a s t i n g a l l o y , c o u n t e r p a r t , w h i c h i s b e c a u s e o f t h e f i n e r g r a i n i n d e p o s i t e d b i l l e t . i m p i n g e m e n t t o u g h n e s s o f d e p o s i t e d h i g h - s p e e d s t e e l i s l o w e r t h a n t h a t o f c o n v e n t i o n a l l y c a s t i n g a l l o y , w h i c h i s b e c a u s e e x i s t o u n c e o f p o r o s i t i e s a n d m6 c c a r b i d e s w h i c h r e d u c e t h e i m p i n g e m e n t t o u g h n e s s o f h i g h - s p e e d s t e e l . k e y w o r d s s p r a y f o r m i n g ; w9 mo 3 c r 4 v h i g h - s p e e d s t e e l ; s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s ; c a r b i d e s i i i 堕查鎏三些奎兰三兰堡圭兰堡堡三 第1 章绪论 1 1 课题研究背景、目的和意义 高速钢作为一种高速切削用刀具材料，自2 0 世纪初问世以来，一直得到 广泛的应用。机械制造业的迅猛发展，对传统高速钢提出了更高的要求，即更 优良的热硬性、耐磨性和冲击韧性。高速钢行业本身的竞争，也促进高速钢生 产厂家采用新的工艺以提高高速钢的工艺及使用性能。 快速凝固的工艺特点决定了其具有改善高速钢铸态组织中碳化物形态和分 布状态，从根本上解决碳化物分布不均匀这一直接影响高速钢硬度和韧性的关 键问题的性质。用此方法制备的高速钢，可获得韧性和硬度的良好结合。另一 方面，由于快速凝固高速钢晶粒细小，分布均匀的特点，可赋予其很高的耐磨 性。同时，快速凝固可获得更高的固溶度，从而获得更高合金化程度的新成 分。这一切都为高速钢性能的改善提供了途径，为高速钢行业的技术进步，特 别是粉末冶金高速钢和快速凝固喷射沉积高速钢的发展提供了巨大的研究与发 展空间。 目前国际上得到广泛应用的快速凝固高速钢主要是粉末高速钢。喷射沉积 技术是在粉末冶金技术基础上发展起来的另一种先进快速凝固技术。该技术与 粉末冶金技术相比，将液态金属雾化( 快速凝固) 和雾化液滴的沉积自然的结 合起来，在一步冶金操作中完成。可避免成本高昂的粉末成形过程工序过程， 生产成本进一步降低，同时其含氧量较粉末冶金大幅度下降。因此，系统研究 高速钢的喷射成形工艺及其与组织性能的关系有着非常重要的意义f “。 1 2 喷射成形高速钢的研究现状 1 2 1 喷射成形钢铁材料的研究状况 喷射沉积能保持碳处于固溶态，或至少呈细小弥散状态，克服粗化问题， 从而获得良好的力学性能。y o s h i oi k a w a 等人在研究喷射沉积高碳高速工具钢 轧辊材料时发现：碳化物呈球形分布，平均尺寸低于1 0 t m ，传统铸件中的大 块沉淀相和碳化物被消除；喷射沉积轧棍比传统铸造有更高的机械性能，试验 表明同等条件下喷射沉积材料的磨损量只有普通铸造轧棍的1 2 到1 6 ，在线 材轧机中使用的o s p r e y 轧棍寿命超过普通铸造轧棍寿命的2 倍到3 倍p j 。张丽 英等人研究了喷射沉积w c 颗粒增强高速钢基复合材料，结果表明w c 颗粒的 形貌、成分发生了较大变化，w c 增强m m c s 的硬度明显提高【j “j 。 喷射沉积不锈钢因为晶粒细小、结构均匀和析出相细小弥散分布而具有良 好的抗氧化性和耐磨性。s a n d v i k 钢厂的m y a m a n 等人对喷射沉积和普通铸造 成形的1 8 c r 8 n i 不锈钢进行了对比研究，发现喷射沉积1 8 c r 8 n i 不锈钢具有更 高的临界点蚀温度，并且其力学性能和抗腐蚀性能都与淬火退火态的普通铸造 18 c r 8 n i 不锈钢相当1 5 j 。m i t 的u c o ki b r a h i m 等人研究了喷射沉积3 1 6 l 不锈 钢的组织和性能，发现沉积材料的晶粒尺寸为1 0 至4 0 l am ，9 5 的组织为奥 氏体。经轧制和退火后可获得极细的晶粒组织( 0 1 9 m ) 、极高的屈服强度( 达 1 3 0 0 m p a ) 和强度极限( 1 6 0 0 m p a ) l o j 。 d n h a r d o n 等人系统研究了喷射沉积冷轧机工作轧棍钢的组织性能，指 出：喷射沉积材料硬度与普通淬火态铸造材料的硬度相当，0 8 c 3 c r 和 0 8 c 5 c r 材料在加热到5 0 0 时仍保持高的硬度：喷射沉积不改变碳化物的类 型，但碳化物尺寸可得到细化，而碳化物的均匀一致性是决定材料性能的关键 1 7 - 9 i 。r a i n e rt i n s c h e r 等发现喷射沉积a i s l 5 2 1 0 0 ( 与g c r l 5 成分相同) 轴承钢材 料的组织更加均匀，无宏观偏析，经中t 3 的滚轧变形后材料孔隙完全闭合， 晶粒尺寸由a s t m 2 3 级细化为a s t m 8 1 0 级，疲劳性能有所提高【1 0 】。章靖国 等人研究了喷射沉积g c r l 5 轴承钢的组织及其c c t 相图，发现材料组织为细 小的珠光体( 层片间距8 5 r i m ) ，油淬后得到细小的马氏体( 宽约0 3 5 i _ t m ) 。由 于喷射沉积使基体中的碳含量与分布发生变化，故c c t 相图中的m s 点和奥氏 体化温度均发生变化】。 主要利用喷射沉积台金化，通过增进固溶强化、细小稳定的第二相强化以 及生成新的亚稳相，来充分显露出快速凝固工艺的有效作用。c y t s a o 等人通 过雾化气体对喷射沉积1 0 0 8 钢成功地迸行了氮的原位台金化，并观察到大量 细小的a l n 沉淀，其晶粒稳定性和再结晶开始温度远高于无氮合金化1 0 0 8 钢 ”“es a t o r um a t s u o 等人利用喷射沉积方法制取了含0 0 5 7 a i 和o 0 4 7 n 的 微合金化a i s l l 0 2 0 钢，在1 1 2 3 k 时轧制6 0 可获得完全致密的细小均匀的 ( 约3 - 4 i _ t m ) 铁素体- 珠光体组织，且在随后的1 2 7 3 k 奥氏体化温度下仍然保 持晶粒细小均匀。微合金化的l d c l 0 2 0 钢在正火后表现出了极高的室温强度 ( 5 5 0 m p a ) 、极限强度( 6 3 0 m p a ) 和延伸率( 2 3 ) 1 3 】。s a b i n es p a n g e l 等人 系统研究了c 、a 1 、c r 等元素及工艺参数对喷射沉积低合金钢组织和性能的影 堕篁堡三些查兰三兰竺当耋堡兰圣 响，指出通过工艺参数优化可获得具有等轴晶组织的高密度毛坯f 1 4 】。 1 2 2 喷射成形高速钢的组织特征 文献 1 5 1 对喷射成形高速钢的显微组织和性能做了初步研究，采用光学显 微镜、扫描电镜研究了沉积高速钢的孔隙的形状、大小、分布及显微结构，测 定了其性能，并与成分相同的铸态高速钢、锻造态高速钢作了对比。发现喷射 成形法和熔炼铸造法生产的高速钢孔隙度大小和分布相近，密度相当，喷射成 形高速钢偏析小、晶粒细小、碳化物分布均匀，沉积态高速钢的显微结构和综 合力学性能明显优于铸态、锻造态高速钢。沉积态高速钢和铸造态高速钢的显 微结构对比如图1 1 、1 2 、1 3 所示1 1 5 j 。 j g a r i n 等人又研究了高速钢热处理时烧结气氛的影响。描述了在n h c h 4 工业气体或真空中，优化高速钢的烧结和热处理。在工业气体烧结中发现质量 百分含量o 2 0 6 的渗氮，导致了碳氮化物的形成和增多的残留奥氏体，在淬 火和回火后又分解”“。 文献 1 7 】研究表明，对含有少量铝的a i s l l 0 2 0 低碳钢用氮气雾化进行喷射 沉积，喷射成形的1 0 2 0 钢含有质量百分含量为o 0 5 的氮和0 0 6 的铝。在 1 1 2 3 k 对厚度减少7 0 的件进行旋转喷射成形，以及随后的在较低奥氏体温度 下进行正火，结果产生了晶粒大小为3 u m 的细小晶粒的完全致密的钢件。晶 粒细化由在热机械处理过程中沉积的细小的a 1 n 粒子的边界的奥氏体牵制引 起。室温条件下的弯曲性能超过了传统的微合金高强低合金钢的弯曲性能， 图| - 1 高速钢中的孔隙f 1 5 l f i g l 一1p o r o s i t i e si nh i 曲- s p e e ds t e e l a ) a s c a s tb ) a s - d e p o s i t e d 堕垒堡三些奎兰三耋堡圭兰堡堡圣：。：；：= 图1 2 高速钢得显微结构 f i g1 2m i c r o s t r u c t u r eo f h i g h s p e e ds t e e l a ) a s d e p o s i t e db ) a s c a s t 图1 - 3 高速钢经淬火回火后的显微组织1 1 5 1 f i g f 】- 3m i e r o s t r u e t u r eo f h i g h s p e e ds t e e la f t e rq u e n c h i n ga n dt e m p e r i n g a ) a s - d e p o s i t e db ) f o r g e d a i n 牵制的细小的微观结构使得随后的重新奥氏体化温度高达1 2 7 3 k 。当在 11 2 3 k 时对奥氏体区域进行拉伸实验室时，发现其延伸率超过2 0 0 。 从c s p i e g e l h a u e r 等人的研究可以知道，他们喷射成形制备的t 1 5 工具钢 钢锭，其显微结构细小、均匀分布，样品经奥氏体化和热处理后，碳化物尺寸 均在3 - 5 u r n ，且均匀分布在材料中。典型的奥氏体化的显微结构如图1 - 4 所示。 真空烧结的钢坯的直径为2 2 0 m m ，经锻造后直径最终尺寸为l o o m m ，发 现其结构均匀、晶粒细小。样品经奥氏体化和热处理后，发现碳化物尺寸约为 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 一4 u r n 并均匀分布在材料中。由德国e s s e n 公司生产的直径为5 0 0 m m 的钢坯。 锻造后最终尺寸为l o o m m ，发现其结构也均匀、细小，经奥氏体化和热处理 后，碳化物尺寸约为1 - 3 u m 均匀分布在材料中。 对所制备的试样进行性能测试，结果表明，目前喷射成形可生产直径达1 6 英寸的大钢坯。而且喷射成形制备的材料t 1 5 ，其机械性能和结构相当 图1 4 喷射成形t 1 5 钢的奥氏体化显微结构 f i g 1 - 4 a u s t e n i i z e dm i c r o s t r u c t u r eo f s p r a y f o r m e dt 1 5 于或优于真空烧结制备的材料，可与粉末冶金相比【1 3 】。此外，s p i e g e lh a u e r 等 人研究了喷射成形d 2 工具钢( 15 c 1 2 c r1 m o1 v ) 及其普通铸造产品的性 能，认为喷射沉积材料的组织和性能至少等同或更高于重熔材料，而与粉末冶 金材料相当 1 9 j 。 l e es h a w 等人也证明了喷射成形可以作为生产大直径特殊钢坯的一种可行 工艺。喷射成形制备的d 2 工具钢，经冷却和退火后，用超声探伤检测钢坯， 分别在底部、中部和底部切片进行微观和宏观结构检测。发现典型的宏观片的 结构非常均匀、且无偏析，这也由其被晶粒大小为3 0 u r n 至8 0 u r n 的白色碳化 物包围的马氏体组成的细小结构所证实。钢坯经锻造后显示有更均匀的微观结 构2 ”。 文献 2 1 】研究了喷射成形过程中热状态对微观特征的影响。气体和不同尺 寸液滴的相对速率是轴向距离的函数。而且，液滴气体界面上的传热系数虽 相对速率不同明显变化，与粗大晶粒相比，细小晶粒的变化更快些；细小液滴 由于增大的界面区域和有效换热速率经历了相对高的冷却，因此，喷射沉积过 程由不同的热状态构成，以致细小液滴均为固相，粗大液滴或为全液态或为半 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 固态:通过优化过程参数，可以获得沉积中的凝固状态以生产所要求的均匀的 微观结构和最小孔隙的沉积件，初步研究工作表明，与沉积件的边缘部分微观 结构的不规则性相比，沉积件的中间区域为均匀的微观结构。 r e j a n e a .n o g u e i r a 等人就热处理对a i s i t 1 5 高速钢微观组织的影响进行了 研究。结果表明， 热等静压和真空烧结的a i s i t i 5 钢的奥氏体平均晶粒尺寸不 随着淬火温度的提高而长大; 提高淬火温度并不影响m 6 c碳化物和 m c碳化 物的 平均尺寸和体积分数; 热等静压试样的 m 6 c型碳化物和 m c型碳化物有 类似的平均尺寸和大小分布:真空烧结和热等静压试样有类似的 m 6 c碳化物 平均尺寸和大小分布，真空烧结的样试样m c碳化物的平均尺寸和体积分数较 大: 真空烧结的 试样有一个合理的粗大碳化物的 含量12 2 1 1 . 2 .3 喷射成形高速钢中的孔隙问题 文献 2 3 1 研究表明， 气孔形态尤其是孔隙连通性非常重要。大多数粉末冶 金钢含有导致机械性能降低的互相连通的气孔。 变形集中在独立烧结的导致较 低的宏观塑性变形的接触点处。对最优的机械性能而言，更希望得到独立的气 孔。孔隙团簇影响对疲劳性能有副作用，因为在循环加载过程中气孔团簇正是 裂纹最初的发源地。像在粉末冶金高速钢中发现的熔渣或气孔之类的缺陷是由 于初始材料不够洁净或不适当的处理引 起的。单独的气孔也可能由瞬时的液相 形成的。如果这些缺陷的尺寸超过了临界尺寸就对材料的疲劳性能有不利影 响。缺陷临界尺寸越小，材料的强度越高。对高强钢来说，这些特性应该消 除，因为他们能引起不可预测的破坏。 喷射沉积 a - 2工具 钢中 的 孔隙的 形成 机理在文 献 2 4 中 也有初步的 研究。 他们分别用不同的基体材料 ( 陶瓷和铜) 和沉积距离来研究孔隙的形成，孔隙 测量表明对于陶瓷基体而言，最佳工艺参数沉积距离为 1 7 8 m m , 随着沉积距离 的增加，孔隙也有所增加。至于铜基体，孔隙数量增加，结果表明，较低热传 导率的基体材料促进了 多孔层的早期形成。孔隙和多孔层的相互关系表明如果 孔隙保持最小值，将要求最大的多孔层厚度与其对应。在多孔层的形成中，两 个因素起主要作用，即液滴固 相分数和基体与沉积件的热交换率。喷射角不仅 影响粘性系数，而且也影响沉积件的表面形态。孔柱的存在通过保持与沉积表 面的喷射轴垂直来阻止。一些孔在接近底部多孔区的边缘形成，由于在冷却过 程中喷射沉积工具钢有较高的残余应力，一些孔遗传长大， 在沉积材料中形成 大的裂缝。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 .2 . 4 喷射成形高速钢中 碳化物的形态与控制 传统凝固高速钢的微观组织的基本特征就是被或多或少的枝晶间网状共晶 碳化物包围的树枝晶，主要是通过两个主要微观参数即化学成分和冷却速率的 改变，合金成分的设计决定了共晶碳化物的类型、形态以及体积分数，大大提 高的冷却速率使得晶胞尺寸约为。 . o 1 至 l u m，比普通凝固的微观组织小2 到4 个数量级，虽然晶粒尺寸有明显的不同， 但还有少量的晶间 共晶碳化物仍是金 相组 织上的一 个明 显特征， 甚至 冷却速率达 1 0 6 k s - ， 但 仍有小范围的 偏析。当 冷却速率高达 1 护 k s - ， 虽然没有偏析，但是观察到的却是无特征的微观组织 2 5 1 工具钢中存在着偏析和碳化物等结构不均匀问 题。在均匀化处理时，若扩散 速率相同，则成分达到某一均匀程度所需要的时间正比于偏析距离的平方。快 速凝固结构的枝晶臂间 距通常小于1 p m ， 固 溶偏析范围 很小， 甚至能获得均匀的 体心立方结构， 使碳化物成为非常细小的弥散相或完全固溶于基体中， 从而获得 高的强度、硬度和耐磨性。m c h u g h等人研究了喷射成形 h 1 3工具钢 ( c o . 3 1 m n o . 3 8 c r 5 . i o m o 1 .4 2 v o .9 s i 1 .0 8 )的 组织和性能， 发现喷射成形抑止了 h 1 3工具钢中的碳化物沉淀和长大，其 5 4 0 时效处理后的硬度和强度均比同种 铸 造 材料 经锻 压 和热 处 理 后 的 要高 ，且 具 有 更 好的 高 温 性能 2 6 1 高速钢中主要的碳化物形式是m c i m 2 c和m 6 c ， 这主要取决于冷却速率 和合金成分。碳化物的类型、大小和分布影响着高速钢的机械性能，因此研究 高速钢中的碳化物有着非常重要的意义。对于传统的铸铁，高铝系高速钢通过 共晶反应形成了板状的 呱c碳化物，严重破坏了高温工作性和硬度， m2 c是 在快速凝固或高碳成分中形成的一种亚稳相，而它在高温退火后分解成 m6 c 和m c 2 7 1 0 韩国工业科学和技术研究所先进材料研究室的科学家们于 1 9 9 8年研究了 喷射成形制备的一种高速钢锻后的凝固态碳化物形态、 m 2 c碳化物的分解行为 以及碳化物的分布。其喷射成形态的显微组织是以片状的 m2 c碳化物不连续 的网状碳化物和均匀分布的细小的球状的mc碳化物为特征。 凝固过程中形成 的亚稳 m2 c碳化物在高温充分退火后，己 被完全地分解为 m c和 m 6 c碳化 物。 初始阶段， m 6 c碳化物在奥氏 体/ m 2 c界面处形核并长大， 第二阶段， m c 碳化物或在m6 c碳化物内 或m6 c碳化物之间的界面处形成。随着m 2 c碳化物 分解程度的提高，通过热锻，碳化物分布变得更加均匀，这将引起抗弯强度明 显提高。 m2 c碳化物的分解热处理已 被认为是热锻后获得均匀细小碳化物分布 哈尔滨工业大学工 学硕士学位论文 的 重 要 手 段 2 b 1 p e t e r k j e l d s t e e n 等 人也 研究了 喷 射成形工 具 钢中 的 碳化 物， 并 将喷 射成形 与粉末冶金的产品行了比较。分析工具钢的重要参数有:碳化物尺寸、碳化物 分布、碳化物形态、含氧量、化学成分和各向异性等。试验发现最终的沉积态 工具钢的微观结构的二次枝晶臂间距在 l o u m至 3 0 u m之间，而且具有明显的 碳化物网状物。这些网状物在锻造过程中完全被打碎， 最终的碳化物尺寸在 l u m到 9 u m 之间。碳化物的类型和均一性类似于粉末冶金产品，但由于喷射 成形过程中的冷却速度比粉末冶金过程要慢，因此钢坯的凝固时间给了碳化物 长大的可能性，发现碳化物尺寸比粉末冶金产品中的大。碳化物的尺寸对耐磨 性有很大影响，随着碳化物尺寸增大，耐磨性提高，如图 1 - 5所示。因此喷射 成形工具钢的耐磨性要比 粉末冶金的好。比较喷射成形产品与粉末冶金产品 时，其它机械性能参数如硬度、红硬性、抗压强度和弯曲强度都遵循相同的规 律 2 9 1 口 e o n - s ik l e e 13 0 ,3 11和k y e o n g h o b a i k 3 2 1等 人 分 别 研 究 了 喷 射 沉 积f e - 1 .2 8 c - 6 .4 w- 5 .o mo - 3 . 1 v 4 . 1 c r - 7 .9 c o( 重量比)高速钢及 f e - 1 .3 c - 5 . 7 4 - 5 . o mo - 3 . o v - 4 .2 c r - 8 . 7 c o 重量比)高速钢的凝固组织和 m 2 c碳化物分解情况， 指出 其碳 化物组织为不连续网 状分布的片状m z c 和细小均匀分布的 球形m c : 在高温退 火时，亚稳的m2 c完全分解为mc和m6 c ，且随着m 2 c分解程度的加大，热 锻时碳化物分不更为均匀，最终弯曲强度得以增强。 m.j .k o c z a k 等人研究了 粉末冶金t 1 5 工具钢的雾化粉末的微观组织和组成 特征。实验表明，雾化粉末被分为四个尺寸范围的颗粒，通过在 1 1 3 0 或 1 1 9 5 热等静压被统一成完全致密。 发现在雾化粉末中存在偏析结构，而与颗 粒尺寸无关，出现 m c和 m z c碳化物，主要在晶界处。 粉末的基体是马氏体 和残留奥氏体的混合物。 碳化物的质量分数和成分对颗粒尺寸不敏感。 但 m c 碳化 物的分数随着颗粒尺寸 减小 而增多 3 3 1 文献 3 4 研究了高 速钢析出的 纳米碳化物对刀具使用寿命的 影响。 研究表 明， 超低温处理工艺条件下， 高速钢刀具基体组织中回火马氏 体析出 纳米碳化物 结构， 弥散、均匀地分布在马氏 体孪晶带和位错处; 残留 奥氏体也会发生分解， 形 成马氏体组织并相继析出 纳米碳化物， 增强了钢基体组织的强度和韧性， 尤其是 刀具的耐磨性有明 显的提高 ， 表现出 纳米结构的特殊力学性能。刀具的红硬性有 一定程度的提高， 切削速度可以 适当增加; 刀具磨削后的表面粗糙度也有了明显 降低。上述诸方面优点都有利于刀具使用寿命的提高。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 厂.曰eses!j-i 口团口 目目目口目借日 一 减至要竺， 目 日 理皿 口 盆 口口 砚 一 扛一 _ 国 己口 图1 - 5碳化物尺寸对工具 钢耐磨性的影响 12 9 1 f ig . l - 5 t h e e ff e c t o f c a r b id e s s iz e o n t h e w e a r in g o f t o o l s t e e 112 9 1 文 献 3 5 3 又 对 m 2高 速钢在高 温热处 理过程中 做了 定 量的 微观结构的 分 析。在高 温下重新加热高速钢将引 起微观结构有以下变化，即相转变、 球化和 形成碳化物的粗化。 在重新加热温度达到 1 1 5 0 或 1 2 0 0 时， m 2 c碳化物快 速分解形成m c和 m 6 c 。 进一步的重新加热将导致共晶碳化物m 6 c的球化和 m c , m 6 c的粗化， 位于奥氏 体晶界边缘的碳化物粒子优先长大直至沿晶界的 碳化物碰撞为止。 f e 中 钨的溶解控制了m 6 c 碳化物的 球化速率， 同时f e 中的 钒和钨的溶解分别控制着 m c和 m 6 c碳化物的 粗化速率。同时合金碳化物如 m6 c的球化有些不同于渗碳体的球化，这主要是由己球化的碳化物粒子的碰撞 使得分析变得复杂引起。 1 .2 . 5 喷 射成形高 速钢的应用概况 高速钢的主要应用领域是机械和工具制造业:如车刀，钻头、铣刀、拉 刀、插齿刀、绞刀、丝锥和锯条。目 前高效自 动机床、高速切削机床、积木式 机床的发展以及难切削材料如高温合金、钦合金、超高强度钢材切削加工对高 速钢需求日 益扩大。 而且 近几年机械加工 采用的高 速度的数控机床， 例如加工 中心、车削中心等，金属切削速度越来越快， 要求刀具须具有高速使用性能， 即热硬性、耐磨性、冲击韧性要好。粉末高速钢与传统高速钢相比有着以下优 点:无方向性，结晶颗粒细致均匀，热处理能提高硬度且变形少，无偏析，耐 磨性和韧性提高较大，喷射成形技术可快速制备出具有不同形状及尺寸的多种 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 产品，制作的刀具、模具使用寿命均由不同程度的提高。因此可以取代传统高 速钢用于各种成型刀具，精密连续冲模、深轴模及折弯模等，需要耐磨的机 件，表面需要如镜面易于脱料及耐较高温的材料，尺寸稳定、长期间使用尺寸 不可有变化的半导体模具及二极发光体模具。汽车、电子、仪表、塑料加工及 包装业的发展促进无切削加工的发展，模锻、挤压、冲压精锻及压铸技术的发 展， 扩大了高速钢模具数量上的需要和工作性能的 要求3 6 ,3 7 1 由英国 特治产品公司、 丹麦d a n i s h 钢厂、 德国m a n n e s m a n n d e m a g公司 和 o s p r e y金属公司合作进行的一项研究验证了 喷射沉积技术作为工业规模生 产钢的可能性，并对大直径特殊钢坯的喷射沉积进行了评估。研究认为喷射沉 积工艺提供了一个能生产具有合适显微组织的高合金化材料的较简便的工艺路 线，并改进了一台喷射沉积设备，可生产直径4 0 m m 、长 l 0 0 0 m m、重达 i t 左 右的d 2 工具钢和t 1 5 高速钢棒坯， 单班年产量达2 0 0 0 t 3 1 1 0 1 . 3 学位论文的主要内 容 喷射成形高速钢具有良 好红硬性、耐磨性、弯曲强度，广泛应用于机械、 汽车、电器元件、 航空 航天、 军工等工业领域， 具有极广阔的发展前景2 -3 1 本文将利用金属精密热加工国防科技重点实验室的超音雾化喷射沉积装置制备 w9 mo 3 c r 4 v 高速钢，并拟从以下几个方面研究: ( 1 )采用喷射成形技术制备w9 m o 3 c r 4 v高速钢。 ( 2 )运用扫描电镜、透射电镜、x射线衍射、能谱分析等实验技术分析 研究喷射成形w 9 m o 3 c r 4 v高 速钢不同 状态下的组织特征及其演变规律及其对 性能的影响。 ( 3 ) 过喷粉末特征分析，主要包括形貌特征分析;粉末内部组织及相鉴 定。 ( 4 )过喷粉末中 碳化物的特征分析， 主要包括相鉴定、形貌特征分析。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章 材料制备和试验方法 2 . 1 材料成分 w9 mo 3 c r 4 v钢在成分设计上符合我国钨铝资源的特点，在工艺性能上又 适合我国目前钢厂的生产设备条件和工具厂目 前的装备和使用条件，所制成的 工 具普遍提高使用寿命，是一种综合性能优良，生产成本又较低的新型通用高 速钢。目前是国内用量最大的通用型高速工具钢，广泛应用于麻花钻、丝锥、 各种铣刀、拉刀、齿轮刀具及冷作模具等，其化学成分如表2 - 1 所示。 表2 - 1 w 9 mo 3 c r 4 v高速钢的化学成分( w t % ) t a b l e 2 - 1 t h e c o m p o s i t i o n o f w 9 m o 3 c r 4 v h i g h - s p e e d s t e e l ( w t % ) 0 .7 7 -0 .8 7 .; 言 - 0 . 0 0 3 0 0 . 0 3 00 . 2 0 - 0 . 4 03 .8 0 -4 .4 0 1 . 3 0 - 1 . 7 0 8 . 5 0 - 9 . 5 0 2 . 7 0 - 3 . 3 0 2 . 2 材料制备方法 2 . 2 . 1 沉积坯的制备 利用高熔点多功能喷射成形装置进行沉积坯制备，喷射成形过程如下:将 w9 m o 3 c r 4 v钢在镁砂柑祸中 熔化， 通过翻转机构倾倒到保温柑祸内，保温增 祸底部放置导液管，将合金液引入雾化器，合金流被雾化成为微米级的一定尺 寸分布的液滴，液滴随后沉积于一距雾化器一定距离的不锈钢沉积器上。采用 的喷射成形工艺参数如表 2 - 2 所示。 表2 - 2 喷射成形试验工艺 参数 t a b l e 2 - 2 t h e p r o c e s s 雾化气体雾化压力 p a r a m e t e r o f s p r a y f o r m i n g e x p e r i 雾化温度沉积距离 me n t 导液管直径 ( mp a ) ( ) 1 6 4 0 1 6 0u ( mm ) 堕尘堡三些查兰三耋堡圭兰堡鎏兰 2 1 材料成分 第2 章材料制备和试验方法 w 9 m 0 3 c r 4 v 钢在成分设计上符合我国钨铝资源的特点，在工艺性能上又 适合我国目前钢厂的生产设备条件和工具厂目前的装备和使用条件，所制成的 工具普遍提高使用寿命，是一种综合性能优良，生产成本又较低的新型通用高 速钢。目前是国内用量最大的通用型高速工具钢，广泛应用于麻花钻、丝锥、 各种铣刀、拉刀、齿轮刀具及冷作模具等，其化学成分如表2 一l 所示。 表2 - 1 w 9 m 0 3 c r 4 v 高速钢的化学成分n ，t ) t a b l e 2 - 1t h ec o m p o s i t i o no f w 9 m 0 3 c r 4 v h i g h s p e e ds t e e l ( w t 1 c 丛! i竺!y型 坐! 一 0 7 7 0 ，1 5 0 0 0 3 00 0 3 00 2 0 -3 8 0 1 3 0 8 5 0 - 2 7 0 0 1 8 70 4 00 4 04 4 01 7 09 5 03 3 0 2 2 材料制备方法 2 2 1 沉积坯的制备 利用高熔点多功能喷射成形装置进行沉积坯制备，喷射成形过程如下：将 w 9 m 0 3 c r 4 v 钢在镁砂坩埚中熔化，通过翻转机构倾倒到保温坩埚内，保温坩 埚底部放置导液管，将合金液引入雾化器，合金流被雾化成为微米级的定尺 寸分布的液滴，液滴随后沉积于一距雾化器一定距离的不锈钢沉积器上。采用 的喷射成形工艺参数如表2 - 2 所示。 表2 - 2 喷射成形试验工艺参数 t a b l e2 - 2t h ep r o c e s sp a r a m e t e ro f s p r a yf o r m i n ge x p e r i m e n t 雾化气体雾化压力雾化温度 沉积距离导液管直径 ( m p a ) ( )( m m ) ( m m ) n 2 2 5 1 6 4 0 6 5 04 5 生一! ：! ! ! 业! ! ! ! ：i 图2 - 1 沉积锭的外观形貌 f i g 2 1ap l o tp r e s e n t a t i o no f s p r a yf o r m e db i l l e t 2 2 2 粉末的收集与筛分 利用多功能雾化喷射成形装置除得到沉积坯锭外还得到一定量的过喷粉 末。过喷粉末利用机械振动筛法筛选合金粉末，设备选用8 4 1 l 型标准机械震 动筛，筛号范围为( 2 0 4 0 0 ) 目以及底盘。 2 3 分析试验方法 2 3 1x - 射线衍射分析 利用日本理学电机d m a x r a 型1 2 k v 旋转阳极x 射线衍射仪对各种状 态合金组织中相组成进行研究，测试参数：铜靶k 。辐射，石墨单色器滤波。 特征波长 = 1 5 4 0 5 a ，电压5 0 k v ，电流5 0 m a ，扫描步长0 0 2 。，衍射角( 20 ) 范围2 0 。1 0 0 。过喷粉末中残余奥氏体的相对含量计算见式( 2 - 1 ) 所示。 哆2 砑1 ( 2 - 1 ) l + 髟1a ， 式中胙斤，r 。取常数值2 5 1 7 9 ，其中1 7 与目、h k 及待测物质物质的种类有 关；l 。w 衍口，w m 分别为奥氏体和马氏体( 2 0 0 ) 晶面的衍射强度。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 .3 . 2 形貌及组织观察 微观组织观察采用o l y