M3/2高速钢粉末的凝固组织及烧结行为研究

本文研究了水雾化M3/2高速钢粉末的快速凝固特征,并针对粉末高速钢烧结温度高、烧结温度区间窄等问题,研究了碳、硅含量对高速钢粉末烧结行为的影响,分析了影响机理及烧结动力学机制。对高速钢粉末的快速凝固特征进行了研究,结果表明,水雾化M3/2高速钢粉末形状不规则,平均颗粒尺寸为50μm,平均冷却速度为105 K/s～107 K/s。

粉末的凝固组织以空间分布的等轴树枝晶为主,立方的MC型和密排六方的M2C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,进而向铁素体转变的趋势。粉末的快速凝固过程是一种近临界过冷状态,即处于一种由完全扩散过程向无扩散过程的过渡阶段。

研究了碳含量对烧结行为的影响,发现烧结态试样的组织特征是M6C和MC型碳化物分布在以马氏体相为主、另有部分残余奥氏体相存在的基体上。碳含量为1.4 wt%的合金成分为最佳合金成分,其最佳烧结温度为1240℃,有效烧结温度区间为1240℃～1260℃,在保持综合性能不变情况下(硬度与抗弯强度值分别为HRC 46.8和2124.5 MPa),最佳烧结温度比传统M3/2高速钢降低了30℃,有效烧结温度区间扩大了10 K。碳含量对烧结行为的影响机理为:随着碳含量的增加,奥氏体晶格畸变增加,畸变能使体系能量升高,从而使烧结区间(液相+奥氏体+碳化物区)的固相线温度降低,在较低的烧结温度下可以形成初始液相,扩大了有效烧结温度区间;同时在相同的烧结温度下产生的液相体积分数增多,有助于致密化过程的进行。与碳含量相似,硅含量增加为1.0 wt%时,在1230℃进行烧结,就可以达到100%的烧结密度,说明硅含量的增加对致密化过程有促进作用。从性能上看,硅含量1.0 wt%烧结试样具有最佳的综合力学性能,其硬度为HRC 51.8,抗弯强度为1639 MPa,断裂韧性为26.3 MPa·m1/2。与硅含量0.3 wt%,烧结温度1240℃的试样相比,除硬度值增加外,其它性能均有下降。这说明硅元素除了对致密性有影响,对马氏体组织的晶粒尺寸、固溶强化作用及碳化物尺寸分布均有影响,以上因素共同决定烧结试样的性能。

对高速钢粉末的烧结动力学进行了分析。烧结过程可以分为三个阶段:烧结初期(相对密度<3%),此阶段形成烧结颈并发生烧结颈长大,烧结中期(相对密度<90%),此阶段贯通的管道形孔洞收缩成为闭合孔洞,和烧结后期(相对密度>90%)闭合孔洞收缩、接触点平整致密化阶段。三个阶段互相连续,互有过渡,均以扩散作为物质迁移的主要途径。烧结后期的超固相线液相强化烧结阶段,在较低温度下产生较多的液相有助于致密化过程的进行,这正是碳元素及硅元素的添加可以使高速钢粉末的最佳烧结温度降低的根本原因。

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