包套热挤压M32粉末冶金高速钢的组织性能研究.pdf

第 3 1 卷第 4期 2 0 1 3年 8月 粉 末冶 金技 术 Powde r M e t al l u r gy Te c hno l og y Vo 1 ． 31．No ． 4 Aug ．2 01 3 包套热挤压 M 3 2粉末冶金高速钢的 组织性能研究 ；l 于 洋一 冯养 巨 张文丛一 杨建雷 哈尔滨工业大学 威 海 材料科学与工程学 院 ， 山东威海 2 6 4 2 0 9 摘 要 提 出了一种解决 粉末 冶金高速钢制备工艺繁琐 、 性价 比低等 问题 的包套热挤压工艺 ， 采用该工艺制 备 了 M3 2粉末冶金高速钢 ， 研 究了不同挤压温度 和热 处理对 M 3 2粉末高 速钢 的显微 组织与性 能的影 响。结 果表 明 未热处理时 ， 随挤压温度 的升高 ， 试样相对密度及硬度变化趋势一致 ， 均是先升高后降低 ， 在挤压温度 为 1 2 4 O ℃时达到峰值 ， 分别为 9 8 ． 0 4 ％ 和 4 5 ． 6 HR C； 在淬火 温度 1 1 8 0 C以及 回火 温度 5 6 O ℃热处理 后 ， M 3 2 高速钢的 晶粒及碳化物 颗粒尺寸较小且分 布均 匀 ， 力学 性能最 佳 ， 其 抗弯 强度及硬 度分别 为 3 7 2 1 ． 8 MP a 和 6 6． 7HRC。 关键词 M3 2粉末 冶金高速钢 ； 包 套热挤压 ； 热处理 ； 组织性能 M i c r o s t r u c t ur e a n d p r o pe r t i e s o f M 3 2 p o wde r me t a l l ur g y hi g h s pe e d s t e e l by c a n ne d ho t e x t r u s i o n t e c hno l o g y Y u Y a n g ， F e n g Y a h g j u ，Z h a n g We n c o n g ， Y a n g J i a n l e i S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g ，Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y a t We i h a i We i h a i S h a n d o n g 2 6 4 2 0 9 ， C h i n a A b s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e c u m b e r s o m e p r e p a r a t i o n p r o c e s s a n d l o w c o s t p e rf o r m a n c e o f t h e h i g h s p e e d s t e e l H S S p o wd e r， p o wd e r me t a l l u r g y M32 hi g h s p e e d s t e e l wa s pr o d u c e d by t he c a nn e d ho t e x t r u s i o n t e c h n o l o g y ． Th e e f f e c t s o f e x t ru s i o n t e mp e r a t ur e a n d h e a t t r e a t me n t o n mi c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s we r e i n v e s t i g a t e d ． Th e r e s u l t s i n di c a t e t h a t t he r e l a t i v e d e ns i t y a nd ha r d ne s s o f e x t r u de d s a mp l e f i r s t i n c r e a s e， t h e n d e c r e a s e wi t h t h e r i s e o f e x t r us i o n t e mp e r a t u r e a nd r e a c h t h e i r pe a k v a l u e s o f 9 8． 0 4％a n d 45． 6HRC， r e s p e c t i v e l y ．F i n a l l y， wh e n e x t r u s i o n t e mpe r a t u r e i s 1 2 4 0C ， b e n di n g s t r e n g t h a n d ha r d n e s s f i r s t i n c r e a s e a nd t he n d e c r e a s e wi t h t h e r i s e o f q ue n c hi n g t e mp e r a t u r e a n d r e a c h t he i r pe a k v a l ue s o f 3 721 ． 8MPa a n d 66 ． 7HRC wh en q ue nc h i n g a t 1 1 8 0 C a nd t e mpe r i n g a t 56 0 o C ． Ke y wor dsM32 p o wde r me t a l l ur g y h i g h s p e e d s t e e l ；c a n ne d ho t e x t r u s i o n；h e a t t r e a t me n t ；mi c r o s t r uc t u r e a nd p r o p e r t i e s 高速工具钢简称为高速钢 H S S ， 又有 风钢或 锋钢之称。高速钢属于高碳合金钢 ， 主要由 Mo 、 W、 c r 、 V和 c o等多种合金元素组成 。由于组织 中存在 大量 的碳化物 ， 高速钢具有高硬度、 高耐磨性 、 高红 硬性等 优异综 合性 能 。高 速钢 经过 热处 理 以 后 ， 可 以获得极高 的硬度 6 0～7 0 HR C 和高 耐磨 性 ， 并且 这种 高硬度 在 温 度 为 5 5 0～ 6 0 0 C环境 下 仍 能保持 。高速钢一般采用传 统的铸锭 一锻轧工 艺生产 ， 铸锭的尺寸大 ， 合金元 素含量高 ， 加上其冷 却速率缓慢等缘故 ， 凝 固时会 出现粗大的莱 氏体碳 {山东省科技厅资助项 目 2 0 1 0 B S A1 0 0 1 6 ， 2 0 1 1 G G X 1 0 2 2 1 }于洋 1 9 7 2一 ， 男 ， 博 士 ， 副教授 。E - m a i l h i t y y a n g h i t ． e d u ． c n }通讯作者 张文丛 1 9 7 1 一 ， 男 ， 博 士 ， 教授 。E - m a i l z h a n g w e n e o n g y a h o o ． c o m． c n 收稿 日期 2 0 1 21 2 0 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金技术 2 0 1 3年 8月 化物的偏析组织 ， 碳化物 的偏析严重 损害了钢的各 种性 能 。2 0世纪 7 0年 代初 开 发 了一 种粉 末 冶 金 工艺方法生产高速钢 ， 通过用特殊成形方法将微 细 的高速钢粉末制成高速钢材制品， 称为粉末冶金高 速钢 。粉末冶金高速钢 是高速钢 的一种独具 特 色的新品种 ， 与传统高速钢相 比， 其特点是无论钢材 制品形状 与尺寸 大小如何 ， 均具 有无偏析 、 晶粒 细 小 、 夹杂 物含 量少 、 组 织 均 匀 等 显微 组 织 特 点 ， 特 别 是形成的碳化物颗粒弥散细小 ， 使高速钢的硬度 、 韧 性 以及抗弯强度等综合性能得到了明显 的提高 。 目前 ， 制备粉末高速钢的方法有熔铸法 、 烧结法、 锻 轧法、 静液挤压法 等 ， 其 中最有效 的方法 是热等 静压法 H I P ， 它是将制件放人密闭容器中， 然后 向 制件施加各 向同等的压力 ， 高温 、 高压作用下使制件 致密 ， 其优点是能制备出性能可靠 的粉末高速钢工 件， 但是工艺繁琐 ， 国外技术封锁 ， 设备成本极高。 本文为解决传统高速钢碳化物粗大、 偏析严重、 性 能较低 ， 以及热等静压法制备粉末高速钢工艺繁琐、 成 本高昂等问题， 从高速钢特性及通过塑性变形促进粉 末材料的致密化角度研究一种制备高性能粉末高速钢 的包套热挤压工艺 。在此 基础 上 ， 研究 了挤压 温度 和 热处理对 M3 2粉末高速钢的显微组织及力学性能的 影 响 ， 为优化 高速钢粉末热挤 压工艺提供参 考。 1 试验 1 ． 1 试样 制 备 试验所 用水 雾 化 M3 2高 速钢 粉 末产 自瑞典 H g a n a s 公司 ， 其化 学成分见表 1 ， 粉末形貌 如图 1 所 示 。 表 1 水雾化 M3 2高速钢粉 末的化 学成分 质量分数 Ta b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f w a t e r a t o mi z e d M3 2 HS S p o wd e r s ma s s p e r c e n t ％ C W Mo Cr V S i C o Mn Ni Cu P S F e 1 ． 0 l 5 ． 9 1 5 ． 7 2 4 ． 1 8 3 ． 2 7 0 ． 3 1 0 ． 3 0 0 ． 2 8 0 ． 2 2 0 ． 1 4 0 ． 0 1 8 0 ． 0 1 7 余量 图 1 水雾化 M3 2高速钢粉末形貌 Fi g ．1 Mo r p ho l o g y o f wa t e ra t o mi z e d M32 HS S po wd e r s 采用硬质合金模具把 M3 2高速钢粉末单 向压 制成尺寸为 b 4 0 mm 4 0 mm的冷压坯 ， 然后装入 4 5 钢包套 中在 3 1 5 0 k N四柱液压机上进行热挤压。热 挤 压 温 度 分 别 为 1 1 9 0 C、 1 2 2 0 ℃、 1 2 4 0 ℃、 1 2 6 0 ℃ 、 1 2 9 0 o C， 保 温时 间 1 h ， 挤压 比 1 0 ． 6 ， 挤压 凹 模 锥 角为 6 0 。 ， 挤 压 模 具 内表 面 采 用 油 基 石 墨 或 者 石 墨乳 润滑 。 对在 1 2 4 0 C 挤压的 M3 2粉末高速钢进行热处 理 ， 具体工艺为 淬火温度分别为 1 1 4 0 C、 1 1 8 0 ℃、 1 2 2 0 o C、 1 2 6 0 。 【 ， 油冷 ， 回火 温度 5 6 0 ℃ ， 回火 3次 ， 每 次 时间为 1 h 。 1 ． 2 性 能测试 采 用捷 克 T E S C A N公 司生 产 的 5 1 3 6 S M 型 扫 描 电镜 S E M 观 察试 样 的微 观组 织 形 貌 ； 用 阿 基 米德 排 水法 测定 试样 的挤 压 密度 ， 理 论 密 度采 用 8 ． 1 5 g ／ c m ， 计算相对密度 ； 采用 H R一1 5 0 A型洛式硬度计 测定试样硬度 ， 每个试样取 5个点求算术平均值 ； 采 用 C 3 4 4 3 0 0型试验机测定试样 的抗弯强度。 2结果 与分析 2 ． 1 热 挤压 M3 2粉 末高速 钢热处 理 前的 显微 组 织 及 性 能 图 2是 于 不 同温 度 挤 压 后 试 样 的微 观 组 织 照 片。可以看 出， 亮 白色颗粒状 M c 、 暗灰色颗粒 MC 碳化物弥散分布在高速钢褐色基体上 J ， 碳化物尺 寸随挤压温度的升高而增大 ， 且大部分 2 m， 最大 也不超过 5 I ．L m。随着挤压温度的升高 ， 基体上分布 的孔 隙呈现 出先 减 少后 增 多 的 趋 势 。这 是 因为 ， 随 着 挤压 温度 的升高 ， 粉末 颗粒 流动性 增 加 ， 能很 好 地 填充孔洞， 孔隙度下降； 但当挤压温度过高时， 使得 液相大量生成 ， 过量的液相使得试样发生 “ 坍塌 ” 现 象 ， 相对密度降低 ， 并 引起 晶粒粗大 和碳化 物颗 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1卷第 4期 于 洋等 包套热挤 压 M3 2粉末冶金高速钢 的组织性能研究 2 4 7 含有残余奥 氏体 。MC碳化物 的衍射 峰强度较强 ， 而 M C碳化物的衍射 峰强度较低且所 占比例也很 少 ， 和图 4 d 中金相组织的观察结果一致。 图 6 1 2 6 0 ℃淬火、 5 6 0 C回火 3次后 M3 2粉末 高速 钢的 X R D图谱 F i g ． 6 XRD p a t t e r n o f P ／M M3 2 HS S q u e n c h e d a t t e mp e r a t u r e o f 1 26 0 C a n d t emp e r e d a t 5 6 0 oC f o r t hr e e t i me s 3 结 论 1 未 热 处 理 时 ， 在 1 2 4 0 c C挤 压所 得 M3 2粉 末 高速钢的组织均匀细小、 孔隙较少， 且相对密度、 硬 度达到峰值 ， 分别为 9 8 ． 0 4 ％和 4 5 ． 6 HR C。 2 随着淬火温度的升高， M3 2粉末高速钢 的抗 弯强度及硬度先升高然后 急剧 降低 ， 在淬火温度 1 1 8 0 C、 回火 温度 5 6 0 C时达到峰值 ， 其值 分别为 3 7 2 1 ． 8 MP a和 6 6 ． 7 HRC。 3 淬火温度过低 ， 难熔合金碳化物淬火加热时 溶解较少 ， 回火后剩余 的碳 化物数量 多 ， 粒度 也较 大。淬火温度过高， 大量的碳化物回溶人奥氏体中 ， 回火后 ， 大量残余奥氏体不能转变为 回火马氏体 ， 因 此试样硬度下降； 另一方面高速钢 因淬火温度过 高 而产生过热组织 ， 晶粒间结合力降低 ， 因此抗弯强度 及硬度显著下降。 参 考文献 [ 1 ]H e l l Ma n P ，L a r k e r H ．Mo d e r n d e v e l o p me n t i n p o w d e r m e t a l l u r g y ． P l e n u m P r e s s ，1 9 7 0 4 5 7 3 5 8 2 [ 2 ]R u i z - N a v a s E M，Ga r c ’ i a R，G o r d o E，e t a 1 ．D e v e l o p me n t a n d c h a r a c t e r i s a t i o n o f h i g h s p e e d s t e e l ma t ri x c o mp o s i t e s g r a d i e n t ma t e r i a l s ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g Te c h n o l o g y ，2 0 0 3，1 4 3 ／ 1 4 4 7 6 9 7 7 5 [ 3 ]邓玉昆 ，陈景榕 ， 王世 章 ．高速工具 钢 ．北京 冶金工 业 出版 社 ， 2 0 0 2 [ 4 ]G i m’ e n e z S ， Z u b i z a r r e t a C， T r a b a d e l o V， e t a 1 ． S i n t e r i n g b e h a v i o u r a n d mi c r o s t r u e t u r e d e v e l o p me n t o f T 4 2 p o wd e r me t a l l u r g y h i g h s p e e d s t e e l u n d e r diffe r e n t p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s ． Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g A， 2 0 0 8 ， 4 8 0 1 ／ 2 1 3 01 3 7 [ 5 ]闫建新 ， 李在元 ．粉末 高速钢 的研 究进 展 ．硬质合 金 ， 2 0 1 0 ， 2 7 5 3 1 63 2 0 [ 6 ]D o b r z a fi s k i L A，Ma t u l a G，V d r e z A，e t a 1 ．F a b r i c a t i o n m e t h o d s a n d h e a t t r e a t me n t c o n d i t i o n s e ffe c t o n t r i b o l o g i c a l p r o p e i e s o f h i g h s p e e d s t e e l s ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g Te c h n o l o g y ， 2 0 0 4， 1 5 7 ／ 1 5 83 2 4 3 3 0 [ 7 ]胡俊 ， 任安峰 ， 黄建文 ，等 ．静液挤压 W Mo ， C r 4 V 2高速钢的工 艺研究 ．兵器材料科 学与工程 ， 2 0 0 7 1 5 75 8 [ 8 ]张文丛 ，于洋 ．一种粉末冶 金高速钢 的塑性 加工方 法 中 国， ZL 2 01 1 1 0 l 9 9 8 2 6l [ 9 ]周瑞 ．粉末冶金 M3 2高速钢烧 结行为及力 学性能研 究 ．哈尔 滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 8 [ 1 0 ]蔡美 良，丁惠麟 ， 孟沪龙 ，等 ．新 编工模具钢金相热处理 ．北 京 机械工业出版社 ， 1 9 9 8 [ 1 1 ]赵菊华 ，马飞 ．M2高速钢马 氏体 一贝氏体复相 热处理 ．金属 热处理 ，1 9 9 6 5 2 22 6 _ ’’ ’’’’’’’’’’’’ ’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’ ’’’’’’’’’’ ● ● 热 诚 欢 迎 各 界 朋 友 投 稿 ● ● t ‘ l 1 ． I I I t t l ‘ l l l I II I I I I t t t t I t l l l l l I I ‘ I I I l I ‘ I I ． ‘ I I ． I ． ‘ ‘ ’’ 9 ’ ，’，，， ，m，m，ml，，’ _ 刊 登 广 告 V - 。‘ IttttIII‘ lIlllI‘ 。ll‘lI ll l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m