高(gāo)速工(gōng)具鋼是目前應用最廣泛的切削刀具材料之一(yī)。與傳統高(gāo)速鋼相(xiàng)比,粉末冶金高(gāo)速鋼具有使用性能(néng)優良、材料利用率高(gāo)及節約能(néng)源等優點。

    本文研究了SKH-9高(gāo)速鋼粉末的快速凝固特征,并針對粉末高(gāo)速鋼燒結溫度高(gāo)、燒結溫度區間窄等問題,研究了碳、矽含量對高(gāo)速鋼粉末燒結行為(wèi)的影響,分析了影響機(jī)理及燒結動力學機(jī)制。對高(gāo)速鋼粉末的快速凝固特征進行了研究,結果表明,水(shuǐ)霧化M3/2高(gāo)速鋼粉末形狀不規則,平均顆粒尺寸為(wèi)50μm,平均冷卻速度為(wèi)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(wèi)主,立方的MC型和密排六方的M2C型碳化物(wù)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(gāo)的冷卻速度使高(gāo)溫穩定相(xiàng)原子的狀态被保留至低(dī)溫等原因,随著(zhe)粉末粒徑的減小(xiǎo)即冷卻速度的增大,高(gāo)速鋼的結晶相(xiàng)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(yī)種近臨界過冷狀态,即處于一(yī)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(wèi)的影響,發現燒結态試樣的組織特征是M6C和MC型碳化物(wù)分布在以馬氏體相(xiàng)為(wèi)主、另有部分殘餘奧氏體相(xiàng)存在的基體上(shàng)。碳含量為(wèi)1.4 wt%的合金成分為(wèi)最佳合金成分,其最佳燒結溫度為(wèi)1240℃,有效燒結溫度區間為(wèi)1240℃～1260℃,在保持綜合性能(néng)不變情況下(xià)(硬度與抗彎強度值分别為(wèi)HRC 46.8和2124.5 MPa),最佳燒結溫度比傳統M3/2高(gāo)速鋼降低(dī)了30℃,有效燒結溫度區間擴大了10 K。碳含量對燒結行為(wèi)的影響機(jī)理為(wèi):随著(zhe)碳含量的增加,奧氏體晶格畸變增加,畸變能(néng)使體系能(néng)量升高(gāo),從(cóng)而使燒結區間(液相(xiàng)+奧氏體+碳化物(wù)區)的固相(xiàng)線溫度降低(dī),在較低(dī)的燒結溫度下(xià)可以形成初始液相(xiàng),擴大了有效燒結溫度區間;同時在相(xiàng)同的燒結溫度下(xià)産生(shēng)的液相(xiàng)體積分數增多(duō),有助于緻密化過程的進行。與碳含量相(xiàng)似,矽含量增加為(wèi)1.0 wt%時,在1230℃進行燒結,就(jiù)可以達到(dào)100%的燒結密度,說明矽含量的增加對緻密化過程有促進作用。從(cóng)性能(néng)上(shàng)看(kàn),矽含量1.0 wt%燒結試樣具有最佳的綜合力學性能(néng),其硬度為(wèi)HRC 51.8,抗彎強度為(wèi)1639 MPa,斷裂韌性為(wèi)26.3 MPa·m1/2。與矽含量0.3 wt%,燒結溫度1240℃的試樣相(xiàng)比,除硬度值增加外,其它性能(néng)均有下(xià)降。這說明矽元素除了對緻密性有影響,對馬氏體組織的晶粒尺寸、固溶強化作用及碳化物(wù)尺寸分布均有影響,以上(shàng)因素共同決定燒結試樣的性能(néng)。

    對高(gāo)速鋼粉末的燒結動力學進行了分析。燒結過程可以分為(wèi)三個(gè)階段:燒結初期(相(xiàng)對密度<3%),此階段形成燒結頸并發生(shēng)燒結頸長(cháng)大,燒結中期(相(xiàng)對密度<90%),此階段貫通(tōng)的管道形孔洞收縮成為(wèi)閉合孔洞,和燒結後期(相(xiàng)對密度>90%)閉合孔洞收縮、接觸點平整緻密化階段。三個(gè)階段互相(xiàng)連續,互有過渡,均以擴散作為(wèi)物(wù)質遷移的主要途徑。燒結後期的超固相(xiàng)線液相(xiàng)強化燒結階段,在較低(dī)溫度下(xià)産生(shēng)較多(duō)的液相(xiàng)有助于緻密化過程的進行,這正是碳元素及矽元素的添加可以使高(gāo)速鋼粉末的最佳燒結溫度降低(dī)的根本原因。