CN108130474A - 一种放电等离子烧结高合金工具钢 - Google Patents
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Abstract
一种放电等离子烧结高合金工具钢,制备了放电等离子烧结(SPS)HGSF01高合金工具钢。HGSF01高合金工具钢的致密度随烧结温度的升高和保温时间的延长呈上升趋势,而硬度则是呈先升高后降低的趋势;经SPS后得到的材料晶粒较为细小,材料晶粒的尺寸约为5μm,碳化物颗粒能够细小、均匀、弥散地分布在基体上;烧结态材料的抗弯强度比电渣重熔态材料提高了一倍,耐磨性比电渣重熔态材料略有提高。
Description
所属技术领域
本发明涉及-种高合金工具钢,尤其涉及一种放电等离子烧结高合金工具钢。
背景技术
放电等离子烧结(SPS)是结合了传统电流烧结和热压烧结的-种在低温短时间内实现高效、快速烧结的-种新型烧结技术,在较低烧结温度和较小压力条件下可将粉末原料烧结成具有高性能的材料。
HGSF01高合金工具钢是-种新型工模具钢,由于其作为刀具、模具使用场合的特殊性,决定了它必须具有高强度、高硬度、高韧性、高耐磨性等性能。而通过传统铸造和电渣重熔工艺制备的HGSF01高合金工具钢存在晶粒粗大、组织不均匀、碳化物严重偏析和碳化物粗大等缺陷,使钢材的综合性能不高。
发明内容
本发明的目的是为了HGSF01高合金工具钢的硬度、抗弯强度及耐磨性,设计了一种放电等离子烧结高合金工具钢。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
放电等离子烧结高合金工具钢的制备原料包括:铁粉采用的是羰基铁粉,颗粒大小为3~5肛m,其余合金元素均为纯度99.9%、<50μm(-300目)的单质元素粉。
放电等离子烧结高合金工具钢的制备步骤为:采用QM-2SP型行星式球磨机将合金元素粉机械合金化制备HGSF01高合金工具钢粉末。SPS烧结采用日本进口的SPS-825放电等离子设备,将机械合金化制备的粉末称取32g,装入直径为30mm的石墨模具中,粉末与模具内壁之间以及粉末与上下压头之间用光滑的碳纸隔开。装完料后将模具放入放电等离子烧结系统内,轴向压紧,抽真空至低于8Pa并加50MPa压力。按照设定的升温速率达到烧结温度并在该温度下保温一定时间,烧结过程中始终保持50MPaZ轴向压力。烧结结束后,随炉冷却,卸压,取出模具,空冷到室温,然后脱模,清除烧结试样表面的石墨纸。最终烧结试样尺寸为30mm×6mm。
放电等离子烧结高合金工具钢的检测步骤为:采用阿基米德排水法测量试样的密度;用HRC-150型洛氏硬度计测硬度,取5点的算术平均值;在型号为LEICADMI5000M的金相显微镜下观察试样的金相组织;用Quanta200扫描电子显微镜拍摄微观组织形貌;使用微机控制电子万能试验机CMT5105进行弯曲试验,试样尺寸为16mm×4mm×2mm,跨距10mm;在M-2000型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验,主轴转速214r/min,载荷200N,试验时间1h,磨环规格47mm×10mm,磨块尺寸10mm×10mm×3mm。
所述的放电等离子烧结高合金工具钢,在一定的范围内,HGSF01高合金工具钢的致密度随烧结温度的升高和保温时间的延长呈上升趋势,而硬度则是先升高后降低。
所述的放电等离子烧结高合金工具钢,经放电等离子烧结得到的HGSF01高合金工具钢具有晶粒细小(尺寸约为5μm),碳化物颗粒均匀、细小、弥散分布在基体上的优良组织。
所述的放电等离子烧结高合金工具钢,与电渣重熔态HGSF01高合金工具钢相比,烧结态HGSF01高合金工具钢的抗弯强度提高了一倍,耐磨性略有提高。
本发明的有益效果是:
为了充分发挥出HGSF01高合金工具钢的性能,提高相应工模具的使用寿命;又由于通过放电等离子烧结可获得高致密度的烧结试样,同时使烧结试样具有超细微观组织结构,与电渣重熔方法相比,能解决电渣重熔合金中存在的晶粒粗大、宏观偏析严重、析出相粗大等问题。
具体实施方式
实施案例1:
放电等离子烧结高合金工具钢的制备原料包括:铁粉采用的是羰基铁粉,颗粒大小为3~5肛m,其余合金元素均为纯度99.9%、<50μm(-300目)的单质元素粉。放电等离子烧结高合金工具钢的制备步骤为:采用QM-2SP型行星式球磨机将合金元素粉机械合金化制备HGSF01高合金工具钢粉末。SPS烧结采用日本进口的SPS-825放电等离子设备,将机械合金化制备的粉末称取32g,装入直径为30mm的石墨模具中,粉末与模具内壁之间以及粉末与上下压头之间用光滑的碳纸隔开。装完料后将模具放入放电等离子烧结系统内,轴向压紧,抽真空至低于8Pa并加50MPa压力。按照设定的升温速率达到烧结温度并在该温度下保温一定时间,烧结过程中始终保持50MPaZ轴向压力。烧结结束后,随炉冷却,卸压,取出模具,空冷到室温,然后脱模,清除烧结试样表面的石墨纸。最终烧结试样尺寸为30mm×6mm。放电等离子烧结高合金工具钢的检测步骤为:采用阿基米德排水法测量试样的密度;用HRC-150型洛氏硬度计测硬度,取5点的算术平均值;在型号为LEICADMI5000M的金相显微镜下观察试样的金相组织;用Quanta200扫描电子显微镜拍摄微观组织形貌;使用微机控制电子万能试验机CMT5105进行弯曲试验,试样尺寸为16mm×4mm×2mm,跨距10mm;在M-2000型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验,主轴转速214r/min,载荷200N,试验时间1h,磨环规格47mm×10mm,磨块尺寸10mm×10mm×3mm。
实施案例2:
在1000℃、1050℃、1100℃时致密度平均值分别为93.96%、96.93%、98.04%。可见,随着烧结温度的升高,材料的致密度呈上升的趋势。从烧结机理分析可知:随着烧结温度的升高,烧结驱动力增大,这有利于材料致密化的进行。在烧结过程中,只有从晶内到颗粒颈部的晶界扩散和晶格扩散才能导致材料的高度致密化。随烧结温度的升高,大部分晶界气孔被排除,粉末颗粒间互相结合加剧,晶粒开始接触,“烧结颈”充分形成,并逐渐长大;粉末颗粒间的细小间隙被粉末颗粒快速填充,吸附在粉末表面的气体大量逸散。此时烧结的主要驱动力不再是表面能的减少,而是晶界能的降低,粉末颗粒的接触面逐渐转变成晶界,并不断向两边颗粒内移动,烧结颗粒之间由松散的“连接”逐步转变成有较强作用的“联结”,随着“联结”强度进-步增加,烧结体密度进-步提高;此时材料致密化过程接近完成,粉末间的原子扩散下降,致密度上升速率变慢。在一定的范围内,烧结体的致密化程度是随着烧结温度的升高而升高的,但其致密化速度却随着烧结温度的升高而降低。
实施案例3:
随着保温时间的延长,试样平均致密度逐渐增大。表明保温时间对试样的致密度有一定的影响。随着保温时间的延长,各种扩散作用充分进行,残留在烧结试样内的孔隙逐渐消失,不规则孔隙充分球化,因而试样的致密度逐渐增大。保温时间过短为3min和5min时,“烧结颈”没有充分形成,颗粒之间的接触面没有完全转变成晶界,烧结还没有充分进行,试样平均致密度只有95.12%和95.90%;当保温时间为i0min时,试样平均致密度达到97.91%,此时,“烧结颈”已经基本形成,颗粒之间的接触面基本消失、转变成晶界,孔隙率减少,致密度提高。
实施案例4:
试样的平均硬度随着烧结温度的升高和保温时间的延长先升高后降低。这是由于当烧结温度较低时,试样的烧结为固相烧结,此时试样的硬度主要取决于固体颗粒的本征硬度,而此时试样烧结的致密化程度也较低,试样内部存在大量的孔隙,因此一定程度上影响其烧结硬度的提高。当烧结温度升高,试样由固相烧结转变为液相烧结,此时固相颗粒在液相中解并在不平衡的毛细管力的共同作用下,逐步促进坯体的致密化,颗粒间的结合强度增强,使得试样的硬度增加。但当烧结温度过高,又会因为某些组份的挥发和烧蚀造成基体硬度的下降。另外,在烧结初期,随着保温时间的延长,试样致密化程度增加,空隙消失,烧结体硬度快速上升;但随着保温时间的进-步延长,易导致晶粒的长大,碳化物溶解,使得硬度值不再上升,反而下降。保温时间对试样硬度的影响没有烧结温度的影响大。
实施案例5:
电渣重熔态组织晶粒粗大,尺寸在100μm左右。粗大的碳化物呈网状珠光体在晶界析出,且有鱼骨状的共晶莱氏体的出现。晶内的碳化物呈不规则的块状且分布不均匀,组织中存在少量的疏松。而烧结态组织晶粒细小,晶粒尺寸在5μm左右。大量细小的碳化物颗粒均匀分布在基体上,无明显偏聚现象,组织非常均匀。同时,试样中存在少的孔洞,但是孔洞直径一般不超过1μm。相比较起来,烧结态组织的晶粒明显细化,碳化物分布更加均匀。这是由于烧结前粉末颗粒本来就很细,而SPS又具有加热迅速、烧结时间短的特点,能够有效抑制晶粒的长大。同时烧结态组织中的析出碳化物,也来不及长大,最终尺寸非常细小,形成了不同于电渣重熔态的共晶碳化物形态。
实施案例6:
烧结态的合金抗弯强度(1520MPa)比电渣重熔态合金的抗弯强度(750MPa)提高了一倍多。这是由于HGSF01高合金工具钢作为一种高硬度钢(硬度在HRC59-60以上的钢),其强度不仅取决于马氏体的含碳量和奥氏体的数量,还取决于组织特征,比如晶粒度和晶粒边界状态、碳化物弥散程度和分布特点、应力分布特点和残余奥氏体量。其中,晶粒度和碳化物对强度的影响最大。随着晶粒尺寸的增大和碳化物分布不均匀程度的增加,钢的强度几乎成比例降低。SPS合金的晶粒非常细小,且碳化物细小、不连续分布,晶界处颗粒状的MC型碳化物对晶界有钉扎作用,能有效阻止断裂过程中裂纹的扩展。因此,使得烧结态材料有比较高的抗弯强度。而电渣重熔态合金晶粒粗大,碳化物分布不均匀,沿晶界分布的粗大碳化物又极易成为裂纹源,当应力达到一定度,裂纹迅速扩展到整个试样截面而断裂,从而表现出较低的抗弯强度。
实施案例7:
电渣重熔态和烧结态合金在摩擦磨损实验后的磨痕宽度分别为4.02mm和3.78mm,电渣重熔态的磨损量略大一些。工具钢的抗磨损能力不仅取决与基体组织,还取决于第二相,如第二相的性质、数量、形貌、分布状态和尺寸大小等。用烧结方法制备的材料,基体组织中C和合金元素的含量都比铸态的要高,具有更高的硬度;且烧结态材料基体组织中的碳化物细小均匀,摩擦磨损过程中,能够有效的承载和传递应力,阻碍裂纹的扩展;但由于烧结态试样不是全致密的,存在一定的孔隙,这又为磨损裂纹的扩展创造了条件,部分抵消了前面所述的优势。而电渣重熔态样的组织中虽然存在粗大的、棱角分明的碳化物,在磨损过程中容易断裂破碎从材料中分离出来,割裂基体或者在基体表面滑动,加剧材料的磨损;但由于其致密度较高,几乎没有孔隙,又加大了磨损裂纹形成和扩展的难度,所以其耐磨性只比烧结态材料略差一些。
Claims (4)
1.一种放电等离子烧结高合金工具钢,制备原料包括:铁粉采用的是羰基铁粉,颗粒大小为3~5肛m,其余合金元素均为纯度99.9%、<50μm(-300目)的单质元素粉。
2.根据权利要求1所述的放电等离子烧结高合金工具钢,其特征是放电等离子烧结高合金工具钢的制备步骤为:采用QM-2SP型行星式球磨机将合金元素粉机械合金化制备HGSF01高合金工具钢粉末,SPS烧结采用日本进口的SPS-825放电等离子设备,将机械合金化制备的粉末称取32g,装入直径为30mm的石墨模具中,粉末与模具内壁之间以及粉末与上下压头之间用光滑的碳纸隔开,装完料后将模具放入放电等离子烧结系统内,轴向压紧,抽真空至低于8Pa并加50MPa压力,按照设定的升温速率达到烧结温度并在该温度下保温一定时间,烧结过程中始终保持50MPaZ轴向压力,烧结结束后,随炉冷却,卸压,取出模具,空冷到室温,然后脱模,清除烧结试样表面的石墨纸,最终烧结试样尺寸为30mm×6mm。
3.根据权利要求1所述的放电等离子烧结高合金工具钢,其特征是放电等离子烧结高合金工具钢的检测步骤为:采用阿基米德排水法测量试样的密度;用HRC-150型洛氏硬度计测硬度,取5点的算术平均值;在型号为LEICADMI5000M的金相显微镜下观察试样的金相组织;用Quanta200扫描电子显微镜拍摄微观组织形貌;使用微机控制电子万能试验机CMT5105进行弯曲试验,试样尺寸为16mm×4mm×2mm,跨距10mm;在M-2000型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验,主轴转速214r/min,载荷200N,试验时间1h,磨环规格47mm×10mm,磨块尺寸10mm×10mm×3mm。
4.根据权利要求1所述的放电等离子烧结高合金工具钢,其特征是所述的放电等离子烧结高合金工具钢,在一定的范围内,HGSF01高合金工具钢的致密度随烧结温度的升高和保温时间的延长呈上升趋势,而硬度则是先升高后降低,所述的放电等离子烧结高合金工具钢,经放电等离子烧结得到的HGSF01高合金工具钢具有晶粒细小(尺寸约为5μm),碳化物颗粒均匀、细小、弥散分布在基体上的优良组织,所述的放电等离子烧结高合金工具钢,与电渣重熔态HGSF01高合金工具钢相比,烧结态HGSF01高合金工具钢的抗弯强度提高了一倍,耐磨性略有提高。
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