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目前高合金工具钢的制备一般采用电渣重熔工艺或粉末冶金工艺。电渣重熔态合金钢组织均匀,钢的纯净度较高,但存在粗大网状碳化物,性能较低。粉末冶金工具钢组织和性能优异,但工序繁杂,成本较高,且难以制造大尺寸零件。采用喷射成形技术制备高合金工具钢,具有快速凝固组织特征,晶粒细小、组织均匀、氧含量小等优点;从工艺上看,制备流程短,成本较低,可以制备大尺寸锭、棒、板坯,因此具有良好的应用前景。
本文采用喷射成形制备高合金工具钢。利用金相、X射线衍射、扫描电镜等手段,对喷射成形高合金工具钢沉积态、热锻态和热处理态的显微组织和力学性能进行了观察和测试;通过与电渣重熔态合金组织性能的对比,揭示喷射成形工具钢组织形态对力学性能的影响,从而为优化高合金工具钢的喷射成形、热锻致密化和热处理工艺提供参考依据。主要研究结果如下:
(1)采用喷射成形技术制备了喷射沉积圆柱锭。喷射成形材料的晶粒为细小的等轴晶,尺寸为20~25μm左右,碳化物沿晶界呈条状不连续分布,晶内为细小弥散的粒状碳化物。有效解决了电渣重熔合金存在粗大网状碳化物的问题。
(2)对喷射沉积坯进行了热锻致密化处理,当锻造比大于3时,其致密度基本达到全致密。电渣重熔态合金在热锻之后,粗大的网状碳化物得到一定程度的碎化,但仍有较大的块状碳化物存在。
(3)对喷射成形材料进行了球化退火预处理和1100℃氮气淬火+560℃二次回火的最终热处理。经XRD分析可知,其热处理组织为回火马氏体和细小弥散的颗粒状M7C3型和MC型等碳化物。
(4)喷射沉积材料比电渣重熔材料具有更优异的组织形态,使得其抗弯强度、冲击韧性、耐磨性比电渣重熔材料分别提高了40%、22%和47%。但由于组织中存在少量非金属夹杂,使其冲击韧性低于同成份的粉末冶金钢,需进一步优化工艺,减少夹杂物的含量,提高材料的机械性能。
(5)研究了喷射沉积材料的摩擦磨损性能。结果表明:随着载荷和速度的增大,其摩擦系数和磨损量也随之增大。由磨痕表面形貌可知,喷射沉积工具钢的磨损兼有疲劳磨损和磨粒磨损的特征。