稀土对高碳高速钢组织和性能的影响

     在成分为Fe-5%V-5%W-5%Mo-5%Cr-3%Nb-2%Co-2%C的高碳高速钢中添加稀土,研究了稀土对高碳高速钢铸态组织、热处理组织和力学性能的影响。结果显示:稀土处理使高碳高速钢的奥氏体晶粒和共晶组织明显细化,共晶组织中片层状碳化物变短、变细。热处理后,共晶碳化物大部分变成团球状且分布均匀。稀土处理高碳高速钢的硬度和红硬性略有增加,冲击韧性提高37.81%,达到10.17 J/cm2,分析了稀土在高碳高速钢中的作用机理及改善合金性能的机制。

    研究了深冷处理对W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2两种高速钢微观组织结构和力学性能的影响。实验结果表明，深冷处理使高速钢刀具使用寿命显著提高，深冷处理过程中马氏体的分解及超微细碳化物的析出是高速钢力学性能得以改善的重要原因之一。

高速钢由于具有高硬度、高耐磨性、高切削韧性及良好的红硬性而在切削工具、成形模具及耐磨结构零件上具有较广泛的应用。随着陶瓷、金属陶瓷、硬质合金等耐磨材料的兴起以及机械加工领域中不断涌现出一批难加工的材料、高硬度的材料，对高速钢的硬度、韧性和耐磨性提出了更高的要求，颗粒增强的高速钢复合材料由于融合了基体和硬质颗粒的特性，既具有较佳的力学性能，又具有良好的耐磨、耐高温和一定的耐蚀性等特点，不仅可以作为传统的切削材料，而且还可以作为传统的耐磨材料。因此，本文通过向M2高速钢粉末中添加不同体积分数的TiC颗粒，研究TiC颗粒增强的M2高速钢复合材料(TiC_p/M2)的制备工艺、显微组织、力学性能及其摩擦磨损性能。首先采用高能球磨法制备出xTiC_p/M2高速钢(x=5,10,15,20)复合粉末，分析了球磨工艺对高速钢复合粉末颗粒形貌、粒径、相结构的影响，并讨论了TiC颗粒添加量对复合粉末形貌和相结构的影响。研究显示：经20h的高能球磨，高速钢复合粉末平均粒径细化至20μm，粒度分布在5~40μm，且TiC颗粒在基体中呈弥散分布；增加TiC颗粒有助于基体粉末在球磨过程中的挤压和剪切作用，加速粉末的破碎；球磨时间及TiC颗粒添加量不会改变高速钢复合粉末的物相组成。通过放电等离子烧结高速钢复合粉末，讨论了复合粉末的致密化行为，研究了烧结温度、烧结压力、保温时间及TiC颗粒添加量对烧结态复合材料的显微组织和力学性能的影响。结果表明：复合粉末的致密化过程分为4个阶段，烧结后复合材料的物相由Fe相、M6C、MC型复合碳化物及TiC组成，TiC颗粒粒径约为200nm；在960~1060oC温度范围内，随着烧结温度的升高，5TiC_p/M2高速钢复合材料的密度增加，组织中析出的碳化物晶粒逐渐增大；而复合材料的硬度、抗弯强度则呈现出先增加后减小的变化趋势，其硬度和抗弯强度分别在1020oC和1040oC达到最大值57.3HRC、1716MPa。在烧结温度1040oC下、烧结压力30~50MPa、保温时间5~10min，提高烧结压力和延长保温时间，复合材料的密度、硬度、和抗弯强度均增大。xTiC_p/M2高速钢(x=5,10,15,20)复合材料的密度、抗弯强度随TiC含量的提高而逐渐减小；硬度则呈现出先增加后减小的变化趋势，TiC含量为10%时达到最大值。TiC_p/M2高速钢复合材料的断裂形式包含韧性断裂和脆性断裂，具体表现为断口组织中存在韧窝，并具有撕裂皱褶；同时断口中具有沿TiC颗粒内部断裂的穿晶断裂特征。对TiC_p/M2高速钢复合材料的摩擦磨损性能研究表明：随着TiC含量的提高复合材料的平均摩擦因素呈增大趋势，体积磨损量呈现出先减小后增大的趋势，TiC含量为10%时体积磨损量最小，在300N、500N载荷下分别为1.30×10-1mm3和2.91×10-1mm3；TiC含量在10%以内，复合材料具有较好的摩擦稳定性。500N载荷作用下，基体材料M2高速钢的磨损以磨粒磨损为主，并伴随着一定程度的粘着磨损；而TiC_p/M2高速钢复合材料的磨损表现为磨粒磨损，当TiC含量大于10%时磨损机制中含有少量的疲劳磨损。综合以上分析，本文得出的最佳工艺参数为：烧结温度1040oC、烧结压力50MPa、保温时间10min、TiC颗粒含量10%，对应高速钢复合材料具有优异的耐磨性能和较佳的综合力学性能，在300N、500N载荷下体积磨损量分别为1.30×10-1mm3和2.91×10-1mm3，平均摩擦因素分别为0.312和0.298；其密度、相对密度、硬度、抗弯强度分别为7.74g/cm3、98.7%、58.9HRC、1512MPa。

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