喷射成形和粉末冶金工艺对高速钢 2030组织性能的影响

喷射成形和粉末冶金工艺对高速钢 2030组织性能的影响

发表时间：2019-09-21T23:56:59.250Z 来源：《基层建设》2019年第16期作者：魏玲红

[导读] 摘要：近年来，我国的工程建设越来越多，对钢结构的应用也越来越广泛。

身份证号：13018219840611XXXX

摘要：近年来，我国的工程建设越来越多，对钢结构的应用也越来越广泛。利用金相显微镜、SHT4305－Ｗ电液伺服万能试验机、M －200磨损试验机等对喷射成形、粉末冶金2种工艺生产的同规格同位置高速钢2030的退火组织、回火组织、非金属夹杂物、淬回火硬度和摩擦磨损性能进行了研究。结果表明，喷射成形工艺生产的2030，其组织与粉末冶金工艺生产的2030差距明显，但其耐磨性能好于粉末钢

2030，对其耐磨性能提高的机理进行了阐释。

关键词：喷射成形；高速钢；组织；硬度；摩擦磨损

引言

高速钢的生产目前大多采用常规铸造或电渣重熔的方法，再经过大变形量锻造或轧制以及复杂的热处理来改善钢中碳化物的尺寸与分布。但常规铸造或电渣重熔的冷却速度较慢，易导致偏析和碳化物粗大等问题，难以生产高品质高合金高速钢。ASP30高速钢是一种钻合金化粉末冶金高速钢，高达8.5%的含钻量对红硬性、硬度、抗回火性以及弹性模量有着显著的影响，因其综合性能优良，目前广泛应用于高端工具和模具。该产品目前只能采用粉末冶金工艺生产。

1高速钢简介

高速钢以其高硬度、高耐磨性、高红硬性、高切削韧性等优良特性，被广泛应用于冷热工模具、切削工具以及其他耐高温、高耐磨切削材料和结构零件领域。与传统生产方法相比，粉末冶金高速钢不仅消除或减小了熔铸法制备高速钢材料中碳化物偏析和晶粒异常长大的缺陷，而且可以制备材料综合性能优异。本文为了解决粉末冶金高速钢制备工艺繁琐、塑性加工困难、碳化物粗大、性能较低等不足，采用数值模拟、粉末包套热挤压、后续热处理的技术路线，制备了M32粉末冶金高速钢棒料。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、粒度分析仪（PAS）、光学金相显微镜（OM）、分析天平、万能试验机等仪器设备对实验所用的水雾化M32高速钢粉末、挤压态及热处理态试样进行了系统测试、分析与表征。

2试样材料与试验方法

试验用2030棒材（ 30MM）经粉末冶金工艺加锻造轧制生产，以下简称“2030”。试验用2030棒材（ 30MM）经喷射成形工艺加锻造轧制生产，以下简称“HSF838”。二者Ｃ与Ｃｏ的质量分数相同，HSF838的Ｃｒ、Mｏ、Ｖ的质量分数稍高于2030，Ｗ的质量分数稍低于2030，均属于2030钢正常的化学成分范围。在钢材1／4直径处取样，观察横向与纵向的退火组织、横向碳化物颗粒度及纵向碳化物不均匀度。选用2种工艺生产的 30MM棒材自1／4直径位置处取6.5MM×7.5MM×30MM纵向磨损试样，自1／4直径位置处取规格为10MM×10MM×20MM的样块作为退火组织、淬火硬度、淬火组织的检测试样。试样经淬回火（1150℃淬火及550℃×1ｈ×3次回火）处理后，利用ＫＨ3000自动洛氏硬度计对淬回火态HSF838与2030试样进行洛氏硬度测试。锻轧后退火组织选用ＧＸ－51倒置金相显微镜观察碳化物颗粒度、不均匀度、退火及回火组织。采用M－200磨损试验机测定HSF838与2030试样在淬回火态的磨损量与磨痕宽度，该磨损试验机采用45钢（硬度约55ＨＲＣ）的圆环（ 40MM）与检测样品进行对磨，试验载荷为490Ｎ，磨损时间为2ｈ，利用电子天平进行磨损量的计算，利用游标卡尺进行磨痕宽度的测量，磨损方式主要为滑动磨损。利用日立Ｓ－3400扫描电子显微镜对HSF838与2030试样的磨损试样进行磨损形貌的观察，并对二者的碳化物类型进行分析。

3喷射成形A30高速钢的基体组织及相组成

由于中间包钢水的冷却速度相对缓慢，晶粒尺寸约为40-200um。显微组织由马氏体基体和沿晶界分布的粗大的一次共晶碳化物网组成。冷却过程中碳化物沿晶界偏析而形成沿晶界分布的网状粗大共晶碳化物网络组织。这种粗大碳化物即使经过大变形量锻造后也会在组织中呈带状分布而严重恶化材料性能。喷射成形工艺得到的材料晶粒尺寸和碳化物尺寸及形状都己明显细化，特别是碳化物相的形貌和尺寸与中间包内缓冷得到的A30组织差异较大。喷射态组织中无明显的粗大不规则碳化物，碳化物有两种典型形态和分布，一种是尺寸在2um 左右的碳化物分布在晶界和晶内，另一种呈条状或棒状的细小碳化物多沿晶界分布，局部形成了碳化物网。快速凝固是喷射成形高速钢组织细化的决定性因素。喷射成形高速钢中碳化物的形貌、尺寸、分布得到极大改善的一个重要原因是共晶反应在快速凝固条件下在很大程度上被抑制。

4 2种工艺所生产钢材的耐磨性能及磨损机理讨论

HSF838与2030试样在相同热处理条件下，HSF838试样纵向相同位置的磨损量是2030试样纵向磨损量的43％，即HSF838试样的耐磨性要比2030试样提高1.3倍。2030试样的磨痕宽度要宽于HSF838。2030试样的硬度值为66.6ＨＲＣ，略高于HSF838试样的硬度值，但耐磨性能要比HSF838试样差，可见硬度并不是决定高速钢耐磨性能的唯一因素，魏世忠等人认为，高钒高速钢的耐磨性能主要受硬度与金相组织影响，当高钒高速钢材料的硬度超过57ＨＲＣ时，钢材的耐磨性能则决定于基体中MＣ类碳化物的尺寸、数量与分布。球团状或是团块状的MＣ均匀分布在淬回火钢材的基体上，能使材料的耐磨性能得以显著提升。HSF838试样中MＣ的最大尺寸接近11μM，而2030试样中MＣ的最大尺寸小于4μM。2030试样中没有大于4μM的MＣ，而HSF838试样中存在着2～9μM均匀分布的MＣ，4μM以上的MＣ要明显多于2030试样。HSF838试样中的MＣ类碳化物与M6Ｃ类碳化物相间分布，整体上较均匀，2030试样中的碳化物分布更加均匀。

结束语

综上所述，HSF838试样组织中碳化物分布均匀，大颗粒碳化物与小颗粒碳化物相间分布，碳化物形貌上整体较圆整，球形度较好，碳化物颗粒尺寸大于2030试样；2030试样的碳化物分布比HSF838试样更加均匀，碳化物颗粒更加细小。（2）HSF838与2030试样相比，在相同热处理制度相同位置下淬回火硬度值相当。（3）耐磨性上，二者差距较明显，HSF838试样的耐磨性要比2030试样提高1.3倍。（4）HSF838试样中MＣ尺寸范围分布合理，4μM以上的数量要多于2030试样，分布均匀且呈球团状形貌，正是基于这几点，使得HSF838试样的耐磨性能好于2030试样。

参考文献

[1]姜春梅，高元植，胡宜平，等.喷射沉积合金的半固态成形的研究现状与发展前景[J].北京联合大学学报，2001，15（Ｓ1）：89.

[2]周灿栋，祝新发，樊俊飞，等.喷射成形取代粉末冶金生产超高合金高速钢的可行性研究[J].稀有金属，2006，30：57.