喷射成形CPM9V高速钢组织性能研究

摇 摇 高速钢热处理后可以获得极高硬度、良好的 耐磨性与优异的红硬性,主要用来制造复杂的薄 刃和耐冲击的金属切削刀具,也可制造高温轴承 和冷挤压模具等[1 -2] . 通常高速钢含有钨、钼、铬、
收稿日期:2011 - 11 - 20. 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2007AA03Z502) ;
1摇 试摇 验
喷射成形制备的 SF9V 高速钢的成分见表 1. SF9V 高速钢沉积坯采用 200 kg 级喷射成形设备 制备,雾化气体为高纯 N2. 试样热处理采用高温 热处理炉,其工艺为:820 益 ( 预热) + 1 120 益 伊 30 min( 真空加热,油淬) + 550 益 / 1 h,3 次 ( 回
表 2摇 SF9V 高速钢沉积坯的体密度
取样位置
1234567 8
密度 / ( g·cm - 3) 7. 267 7. 406 7. 306 7. 241 7. 291 7. 339 7. 311 7. 287
摇 摇 从图 1( a) 可以看出,SF9V 体密度较高的取 样位置,位于沉积坯的上部稍偏轴心处,这主要与 喷射成形制备过程中沉积稳定状况和沉积坯的冷 却过程有关,而体密度相对较低的部位位于沉积 坯底部,这是因为喷射成形初期雾化造成了钢液 一定的温度损失,沉积到预热基体上的钢液冷却
(1. School of Materials Science & Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2. School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)
0. 93 3. 69 6. 87 3. 23 0. 60 — 余量
摇 摇 结果表明,SF9V 高速钢中晶粒内部弥散分布 的白色细小颗粒相(1) 元素 V、C 含量较高,灰白 色颗粒相(2) 中元素 V 和 C 含量均高于其他两 相,灰色基体相(3)中元素 V、C 含量较低,灰白色 颗粒相(2) 和灰色基体相(3) 中均未含有 Mo 元 素. 这是因为,在高速钢中 V、Mo、Cr 形成碳化物 的能力依次降低[11] ,灰白色颗粒相(2) 为直接从 钢液中析出一次碳化物,故凝固过程中优先形成 V 的碳化物. 由于形成大量 V 的碳化物后,合金 液中 V 的浓度及活度下降,使得形成以 Mo 为主 的复合碳化物的自由能低于继续形成 V 碳化物 的自由能,因此在晶粒内部以 Mo 为主的复合碳 化物开始形成, 如图 2 所示的白色细小颗粒相 (1) . 而 Cr 元素弥散分布于高速钢各个组织中. 2. 2摇 热处理后的 SF9V 高速钢显微组织分析
图 2 是 SF9V 高速钢沉积坯在腐蚀后的微观 组织 SEM 形貌和 XRD 分析.
表 3摇 图 2 中各点能谱分析结果(原子数分数 / %)
元素 1 2 3
C
V
Cr Si Mn Mo Fe
2. 55 12. 74 6. 81 2. 40 0. 79 1. 35 余量
2. 74 34. 56 6. 32 — — — 余量
材料 原材料 SF - 9V
C
V
Si Cr Mo Mn
1. 81 9. 18 1. 24 5. 88 1. 44 0. 56
1. 76 8. 09 1. 56 5. 95 1. 32 果及分析
2. 1摇 SF9V 沉积坯组织形貌 从力学角度分析,材料内部存在的任何微小孔
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材摇 料摇 科摇 学摇 与摇 工摇 艺摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 20 卷摇
于制备 高 合 金 化 的 材 料, 如 高 温 合 金、 高 速 钢 等[6 -7] . 国外目前对喷射成形高速钢已开展了大 量工程化研究[8 - 9] . 德国 EWK 公司研究表明,喷 射成形高速钢具有高纯洁度和良好的组织均匀 性,近球形均匀分布的碳化物使其强度大大超过 常规工具钢. 国内北京航空材料研究院张国庆等 采用喷射成形制备了 T15 高速钢,为喷射成形高 速钢在国内的应用与推广奠定了基础[10] .
文献标志码:A 文章编号:1005 - 0299(2012)05 - 0071 - 05
Microstructure and mechanical properties of high speed steel CPM9V prepared by spray forming
XU Yi1 ,GE Chang鄄chun1,2 ,WEI Kuan1 ,SHU Qin1
后组织为回火马氏体、铁素体和碳化物,二次回火硬度为 52HRC,与粉末冶金 CPM9V 高速钢相当;组织中绝
大部分为小于 15 滋m 的等轴晶,分布在晶界的碳化物主要为 MC 型碳化钒,分布在晶内的碳化物为 VC 和 Mo
的复合碳化物.
关键词:喷射成形;密度;高速钢;微观组织;碳化物
中图分类号:TG142. 45
隙,在外力作用下都会产生应力集中,最终萌生一 个裂纹源而导致材料破损. 因此严格控制材料的孔 隙率、优化内部组织对于提高材料性能具有重要意 义. 通常粉末冶金高速钢刀具只有达到理论密度的 98% 以上时才能应用[2] . 对高速钢来讲,材料内部 残余气孔即使有微小的降低,都会使刀具的切削性 能和使用寿命有较大的提高. 图 1 为 SF9V 沉积坯 的体密度测试的取样部位与部位 1、2、4 处试样放 大 200 倍后的光学显微组织形貌.
Abstract:To improve the microstructure uniformity of high speed steel( HSS) CPM9V prepared by spray form鄄 ing technology,the microstructure before and after heat treatment was researched. The result indicated that the high鄄quality billet of HSS CPM9V exhibited high鄄density,much fine grains and segregation鄄free macrostruc鄄 ture. The average density of billet before heat treatment ( HT) is 7. 306 g / cm3 ,which is 98. 1% of theoretical density. The hardness of SF9V billet after HT is 52HRC,which is nearly equal to powder metallurgy ( PM) CPM9V. By means of Scanning Electron Microscopy ( SEM) ,it is found that the structure of HSS SF9V after heat treatment is constituted by tempered martensite,ferrite and carbide. And most grain is less than 15 滋m. Much carbide whose structure is VC is distributed in grain boundary,VC and Mo multicarbide is distributed in grains. Key words:spray forming;density;high speed steel;microstructure;carbide
第5 期
徐摇 轶,等:喷射成形 CPM9V 高速钢组织性能研究
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速度较快,可能影响了钢液的补缩和填充,另外沉 积初期合金液流尚未完全稳定,也是造成沉积坯 底部生成了较多孔隙的原因之一. 图 1(b) 为位置 1、2、4 处的金相显微组织形貌. 可以看出, SF9V 沉积坯 3 个位置的组织均匀细小,位置 4 处有一 处微米级缺陷. 对所有试样进行线切割并抛光,没 有看到横向的“ 沉积纹冶 ,也没有发现疏松等冶金 缺陷. 证明喷射成形制备 CPM9V 高速钢的工艺 路线可行.
西南 交 通 大 学 青 年 教 师 百 人 计 划 资 助 项 目 (20118355) . 作者简介:徐摇 轶(1980 - ) ,男,讲师; 葛昌纯(1934 - ) ,男,教授,中国科学院院士. 通信作者:徐摇 轶,E鄄mail:xybwbj@ swjtu. cn.
钒、钴等碳化物形成元素. 合金元素质量分数达 10% ~ 25% [3 - 4] . 然而,采用传统铸锭—锻轧工艺 生产的高速钢,内部不可避免地存在粗大碳化物 偏析,组织趋于恶化,导致热加工性能与磨削性能 变坏. 20 世纪 60 年代出现了粉末冶金高速钢,它 的优点是避免了熔炼法生产所造成的碳化物偏析 而引起机械性能降低和热处理变形,但是生产工 序较 多, 制 备 成 本 偏 高[5] . 而 喷 射 成 形 ( Spray Forming) 为特种高速钢的研发开拓了新的发展途 径[5] ,不但消除了宏观偏析和粗大晶粒,使材料 具备优越的力学性能,而且降低生产成本,特别适
图 1摇 SF9V 高速钢沉积坯取样位置( a) 与部位 1、2、4 处的微观组织( b)
摇 摇 从图 1(a)所示取样位置处取样,测得这些试 样在热处理前的体密度列于表 2. 通常由于沉积 状态、冷却速率、沉积距离、沉积位置,甚至坯体尺 寸等因素的影响,会导致喷射成形沉积坯内部的 体密度 分 布 出 现 一 些 差 异. 从 表 2 可 以 看 出, SF9V 沉积坯的体密度测定结果相差不大,分布较 为均匀,坯体平均体密度达到 7. 306 g / cm3 . 以商 业用 CPM9V 高速钢密度 7. 445 g / cm3 作为理论密 度, 计 算 出 坯 体 平 均 密 度 能 够 达 到 理 论 密 度 的 98. 1% .