SKH-9高速鋼粉末的凝固組織及燒結行為研究
日期：2016年03月31日 訪問： 作者：llf 來源：本站原創
高速工具鋼是目前應用最廣泛的切削刀具材料之一。與傳統高速鋼相比,粉末冶金高速鋼具有使用性能優良、材料利用率高及節約能源等優點。
本文研究了SKH-9高速鋼粉末的快速凝固特征,并針對粉末高速鋼燒結溫度高、燒結溫度區間窄等問題,研究了碳、硅含量對高速鋼粉末燒結行為的影響,分析了影響機理及燒結動力學機制。對高速鋼粉末的快速凝固特征進行了研究,結果表明,水霧化M3/2高速鋼粉末形狀不規則,平均顆粒尺寸為50μm,平均冷卻速度為105 K/s～107 K/s。
粉末的凝固組織以空間分布的等軸樹枝晶為主,立方的MC型和密排六方的M2C型碳化物以空間網絡狀分布于等軸晶之間的晶界處。由于顆粒的熔體分割使馬氏體形核困難及極高的冷卻速度使高溫穩定相原子的狀態被保留至低溫等原因,隨著粉末粒徑的減小即冷卻速度的增大,高速鋼的結晶相呈現由馬氏體向奧氏體,進而向鐵素體轉變的趨勢。粉末的快速凝固過程是一種近臨界過冷狀態,即處于一種由完全擴散過程向無擴散過程的過渡階段。
研究了碳含量對燒結行為的影響,發現燒結態試樣的組織特征是M6C和MC型碳化物分布在以馬氏體相為主、另有部分殘余奧氏體相存在的基體上。碳含量為1.4 wt%的合金成分為最佳合金成分,其最佳燒結溫度為1240℃,有效燒結溫度區間為1240℃～1260℃,在保持綜合性能不變情況下(硬度與抗彎強度值分別為HRC 46.8和2124.5 MPa),最佳燒結溫度比傳統M3/2高速鋼降低了30℃,有效燒結溫度區間擴大了10 K。碳含量對燒結行為的影響機理為:隨著碳含量的增加,奧氏體晶格畸變增加,畸變能使體系能量升高,從而使燒結區間(液相+奧氏體+碳化物區)的固相線溫度降低,在較低的燒結溫度下可以形成初始液相,擴大了有效燒結溫度區間;同時在相同的燒結溫度下產生的液相體積分數增多,有助于致密化過程的進行。與碳含量相似,硅含量增加為1.0 wt%時,在1230℃進行燒結,就可以達到100%的燒結密度,說明硅含量的增加對致密化過程有促進作用。從性能上看,硅含量1.0 wt%燒結試樣具有最佳的綜合力學性能,其硬度為HRC 51.8,抗彎強度為1639 MPa,斷裂韌性為26.3 MPa·m1/2。與硅含量0.3 wt%,燒結溫度1240℃的試樣相比,除硬度值增加外,其它性能均有下降。這說明硅元素除了對致密性有影響,對馬氏體組織的晶粒尺寸、固溶強化作用及碳化物尺寸分布均有影響,以上因素共同決定燒結試樣的性能。
對高速鋼粉末的燒結動力學進行了分析。燒結過程可以分為三個階段:燒結初期(相對密度<3%),此階段形成燒結頸并發生燒結頸長大,燒結中期(相對密度<90%),此階段貫通的管道形孔洞收縮成為閉合孔洞,和燒結后期(相對密度>90%)閉合孔洞收縮、接觸點平整致密化階段。三個階段互相連續,互有過渡,均以擴散作為物質遷移的主要途徑。燒結后期的超固相線液相強化燒結階段,在較低溫度下產生較多的液相有助于致密化過程的進行,這正是碳元素及硅元素的添加可以使高速鋼粉末的最佳燒結溫度降低的根本原因。
