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粉末冶金M3:2高速钢烧结行为及力学性能研究

周瑞  
【摘要】: 本文以M3:2高速钢为研究对象,以获得良好的工艺性能和力学性能为目的,系统研究了高速钢的粉末特征,碳、硅和TiC陶瓷的添加对其烧结行为、组织特征及力学行为的影响。 对高速钢粉末的快速凝固特征进行了研究,结果表明,形状不规则的水雾化M3:2高速钢粉末平均冷却速度为10~5 K/s~10~7K/s,凝固组织以等轴树枝晶为主,立方的MC型和密排六方的M_2C型碳化物以空间网络状分布于等轴晶之间的晶界处。由于颗粒的熔体分割使马氏体形核困难及极高的冷却速度使高温稳定相原子的状态被保留至低温等原因,随着粉末粒径的减小即冷却速度的增大,高速钢的结晶相呈现由马氏体向奥氏体,进而向δ铁素体转变的趋势。 对不同碳添加量的M3:2高速钢粉末烧结行为及组织的研究表明,高速钢中碳添加量在0.4-0.8 wt.%时可有效降低烧结温度,同时扩大获得致密化的温度范围,由原始成分的10℃扩大到碳添加量0.4-0.6 wt.%时的20℃以及碳添加量0.8 wt.%时的30℃。其中,碳添加量0.4 wt.%的M3:2高速钢有效烧结温度区间为1240℃~1260℃,最佳烧结温度为1240℃,在保持综合性能不变情况下,最佳烧结温度比未添加碳的M3:2高速钢降低了30℃,为最佳合金成分。其碳添加对高速钢的影响机制为:碳溶入奥氏体使晶格畸变增加,体系能量提高,从而使烧结区间(液相+奥氏体+碳化物区)的固相线温度降低,有效烧结温度区间扩大,同时使相同的烧结温度下产生的液相体积分数增多,致密化过程加快。扫描电镜背散射像、XRD及能谱分析还表明,碳添加后M3:2高速钢的碳化物类型与未添加碳相同,由M_6C型和MC型碳化物组成。但随碳添加量增加,组织中的MC型碳化物含量增加。 添加硅的M3:2高速钢烧结致密性的结果表明烧结温度为1230℃时,硅的添加显著提高试样的烧结致密性,硅添加量为0.7 wt.%时,烧结密度最高,为8.16 g/cm~3,超过了1240℃烧结时未添加硅试样的密度。显著高于该烧结温度下未添加硅试样的密度7.16 g/cm~3。0.4-0.7 wt.%的硅添加在一定程度上可以起到细化晶粒和碳化物的作用,相对于硅添加量0.2 wt.%的试样而言,0.4-0.7 wt.%硅添加试样中碳化物的尺寸显著减小,而碳化物的数量明显增加。硅添加量为0.7 wt.%的M3:2高速钢烧结组织中马氏体的正方度最大,且晶粒尺寸细小,碳化物分布均匀。硅的过量添加不仅对形成液相,促进烧结无好处,而且会使组织向珠光体转变。 对比研究了烧结态和回火态高速钢的力学性能与添加剂含量的关系。结果表明,回火后添加碳后的高速钢的硬度提高,但强度略有下降。添加硅的高速钢硬度和力学性能均有明显提高。硅添加量为0.7%的高速钢550℃回火后可获得最佳的综合力学性能。 研究了添加不同体积分数TiC颗粒的M3:2粉末高速钢与YG8硬质合金对磨的摩擦磨损行为。结果表明,TiC的添加对硬度影响不明显,但可明显提高耐磨性;添加6 vol.%TiC后M3:2高速钢烧结态的硬度由49HRC提高到52.4HRC。而在载荷70N、滑动速度1.6m/s,行程2000m时大气中与YG8硬质合金对磨后,磨损失重量由10.23mg减少到4.21mg。添加TiC M3:2高速钢的耐磨性随TiC颗粒体积分数的增加呈先增加,再降低的趋势变化。6 vol.%为最优TiC添加量,合金磨损失重量最小。这是由于添加6 vol.%TiC颗粒的M3:2合金可以实现TiC颗粒与基体的良好结合,抗磨粒磨损和氧化磨损性能好,同时出现明显的抛光效应,降低了两摩擦副的摩擦系数。


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