高速钢中获得更高含铌量的方法？

高速钢中获得更高含铌量的方法？

    当使用传统熔炼技术时，高合金高速钢的发展受到了限制。碳化物-形成元素的比例的增加，与碳的控制的增长，会导致粗大共晶组织的形成，从而削弱高温作业的容量和韧性；或者会导致粗大碳化物直接从熔体中沉淀。这特别发生在强碳化物形成铌和钒的情况下。通过雾化熔体，可以获得良好的凝固组织；然而合金元素的添加会受到限制，因为它们必须至少在雾化温度时溶解于熔体中。粉末冶金提高了含碳量，从而是缩短高速钢和硬质合金的距离的另一种可行的方法；也就是，将基体和/或工具钢粉末与碳化物，诸如NbC，混合、加压、烧结。为了制造含铌量高的工具钢，人们尝试了不同的生产方法。
1 碳化铌粉末添加到基体熔体
    最优化高速钢的母体被用来（基本分析为2％W，3％Mo，4％Cr和1％V）混合尽可能多的细小均匀分布的NbC碳化物。由于钢锭冶金法生产的此类铌合金钢存在有关一次NbC尺寸的问题，人们尝试使用氮，将碳化铌粉末注射入基体熔体中（58）。基体熔体的温度保持在1550℃与1650℃之间。鼓风周期与所期望钢种的碳化铌含量有关，调整为：3-6.5％铌，鼓风5-20分钟。除了注射过程以外，有关用机械搅拌法将碳化铌粉末加入熔体，人们也做了试验。从而保持基体熔体的均匀分布。
    基体熔体中NbC-颗粒的迅速溶解通过两种方法完成：用氮喷射NbC-粉末，以及粉末搅拌。在熔体的凝固过程中，MC类型的一次和/或共晶富铌合金碳化物沉淀下来。特别是，一次的块状富铌MC-碳化物，相较HS 6-5-2，呈现出分散的尺寸分布。最大的碳化物切割截面尺寸为100-200（含6.5％铌的碳化物尺寸为500），而HS 6-5-2的最大碳化物尺寸大约为30。然而，回火态硬度和切削性能，保持在普通HS 6-5-2钢的值以下。不过，在实验室范围的试验已经证明，原则上，这是生产碳化铌量高的高速钢的可行的方法。
2 铌合金高速钢熔体的雾化
用钢锭冶金法生产高速钢的过程中，为了避免更高含铌量的块状碳化铌的沉淀，根据不同的工序，铌合金高速钢被雾化，或者浇注。除了惰性气体雾化法和PREP-工艺（等离子旋转电极工艺）雾化法外，铸造也同样可以在旋转的铜盘上进行。表Ⅲ示出了试验合金的化学成分。在足够高的熔化或者雾化温度，大约1600℃，溶液中可能保持大于3％的含铌量。在雾化或者熔体在旋转的铜盘上旋转以后，碳化铌非常细小，尺寸小于1mμ。PREP-工艺不可以被应用到粉末生产中，因为来自电极的粗大的NbC-碳化物不能溶解，从而会保留在粉末颗粒中。
    过氮雾化法，生产对应的AISI M2钢种，含1.3%C，2％W，3％Mo，1.6%V，3.2wt%Nb 的钢水，基体母合金原则上（最优化的基体成分——为获得适当的二次强化与充分量的硬质碳化物，用以抗磨损）得以实现。通过挤压，粉末被密实。硬化和回火后，可以观察到细小富铌MC-碳化物（NbC-碳化物），尺寸主要在0.5-1mμ范围内。还发现较少含量的富钒MC。表Ⅳ是碳化物、淬火态以及回火态的基体的化学成分与点阵参数的测量值。在最近的研究中已发现富钒与富铌的MC-碳化物的同时生长。正如在文献62中那样，该研究（图18）中也可以看出碳化铌中铬、钼、钨与钒及铌量的系统联系。
    由于具有相当好的奥氏体晶粒的稳定性，微小的富铌MC-碳化物呈现良好分布——比较钢锭冶金法生产的AISI M2钢种。在1250℃（图19）奥氏体晶粒尺寸特别有影响。而已从事的研究，是在奥氏体化温度—1275℃进行的。AISI T1和AISI M2-钢种相比，在切削测试中得到很满意的结果。
3 减少熔体中含碳量以增加含铌量
    含铌量不可能提高到大于3%，甚至在熔体雾化的情况下也不可能实现。否则在通常的融化与雾化温度发生雾化以前，会出现大的碳化铌颗粒的沉淀物。从技术角度来看，不可能实现非常高的雾化温度：除了耐火材料所受的高载荷以外，粉末中有更高的含氧量，从中出现更多量的外生夹杂物。
    通过减少含碳量，溶液中的含铌量可以更高，大于3wt％。在雾化之后或雾化过程中，粉末必须经过渗碳处理；无论如何，要保证金属基体有足够高的含碳量。当0.8％C，2％W，3％Mo，2％V和6％Nb的低碳熔体采用油雾化时，在雾化过程中进行渗碳，但是碳含量就不能达到大约1.6wt％的设定值。当粉末颗粒直径在100-150mμ之间，发生最大的增碳，由此，含碳量上升至1.4wt％。其它更多的调节含碳量的控制手段是对粉末的后续处理（渗碳或者渗氮）。试验已经证明，也可能将碳含量少、6wt％铌的高速钢熔体喷成雾状，而没有大的块状一次渗碳体的形成
4 粉末冶金生产工序
    采用粉末冶金法也可将铁或钢的基体粉末与大量的硬质相如碳化铌混合并烧结。人们做了一个试验，除了其它硬质相，还将10-30％（体积百分比）的碳化铌加入铁基体。测试表明，只有当硼或硼＋碳的加入量高到足以在烧结过程中产生液相时，才能在机械混合与烧结后获得令人满意的密度。因此，1280℃在氢中烧结时，加入10-30％的NbC，TiC，或者Al2O3，可以获得令人97％-99％的密度。通过机械混合，也获得令人满意的疲劳强度，因此，与其他硬质材料TiC，TiN，Al2O3或VC相比，碳化铌的机械性能具有明显的优势。
    文献中也提到实验研究了用陶瓷颗粒如Al2O3、钛氮化物和其它碳化物作硬质相的粉末冶金雾化生产高速钢的强化。举例来说，一篇论文提到用水雾化M3/2高速钢粉末，该粉末混有市场上有的99.5％碳化铌。用这种方法，碳化铌的体积百分数可从2.5%变化到5和8％ 。样品在高真空下烧结。当烧结温度低于固相温度时，由于烧结力不足，微观组织中出现孔洞。进一步的试验是加入碳化钽和磷化铜来保证液相烧结。论文中提到，当存在碳化铌和碳化钽时，磨损测试很令人满意。人们也发现，烧结过程中碳化铌置换了一次MC-碳化物中的钒，形成(V, Nb)C。
5 激光合金法添加碳化铌
    激光合金法是材料表面被高聚集的激光束局部融化。激光束与底材的交互作用，形成了很小的熔融金属池，从而在底材上可以加入不同的添加物，例如，用惰性气体来注射粉末。由于激光的高效率，金属熔池可以过热，可以获得高于1800℃的熔池温度。这样高的融化温度使得热力学稳定的化学化合物如铌和钒的一碳化物在熔体中大量地溶解。由于熔池体积小，底材热耗散高，冷却速率通常大于103K/s，所以在合金化过程以后就发生凝固。
    因为该工艺的本质，金属熔池的体积很小，所以激光炼制合金主要适合结构件的高载荷区域的局部合金炼制，比如工具的切削刃。当挑选了合适的工艺参数时，激光-炼制合金的表面熔化层中，铌含量可大于20wt％，平均碳含量大于2.8wt％。
    即使是少量的碳化铌添加物也大大地影响凝固组织。图20总结了随着激光焊道中平均铌含量的不同组织的变化。当铌含量达到4wt％，在快速凝固组织中出现金属树枝晶和两种不同的共晶体。当铌含量大于4wt％，熔体以富铌的一碳化物的沉淀开始凝固。图21给出HS 6-5-2底材与碳化铌合金的凝固组织，铌含量大约为6.6wt％。凝固组织具有星状富铌一碳化物和共晶胞，晶胞间带有二次共晶组织。由于冷却速率高，一碳化物仍然细小。铌含量低时，一碳化物大量出现，然而当铌含量更高时，它们变成树枝状。激光合金化产生的碳化物尺寸与不同凝固速率下熔体的分散带相吻合（图10）。分析证明，激光合金工艺产生的一碳化物是富铌的，且只能和少量的其它合金元素混合。金属树枝晶的铌含量与探测极限很相近。所以，得出的结论是，几乎所有的铌都出现在从熔体沉淀出一碳化物以及共晶团的一碳化物中（对于其它的生产工艺这也同样适用）。采用激光合金化，加铌提高了抗磨损的一碳化物的量。然而，二次强化并没有得到显著改善。
    从铌含量大于大约4wt％的熔体中一碳化物的直接沉淀近似地相当于准二元Fe-NbC-体系的共晶体。由于HS 6-5-2的合金元素与碳化铌间交互作用较弱，尽管冷却速率很高，还是可以通过使用现存的准二元和准三元相图，来近似地描述出NbC激光合金HS 6-5-2的凝固行为。

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