1、 北京科技大学材料科学与工程选论课程学习 1 绪论 .1 1.高速工具钢简介 .3 1.1 高速钢的发展史 .3 1.2 高速钢的组织性能特点 .3 1.3 高速钢中碳化物类型 .4 1.4 高速钢近年研究进展： .5 2 高速钢的主要制备方法 .6 2.1 传统铸造技术 .6 2.2 电渣重熔技术 .6 2.3 粉末冶金技术 .8 3 喷射成形技术 .9 3.1 喷射成型简介 .9 3.2 喷射成形技术发展历程 .10 3.3 喷射成形技术优点 . 11 3.4 喷射成形技术缺点 .12 3.5 喷射成型技术基本原理 .12 3.6 喷射成形过程 .13 3.6.1 喷射成形 金属液的雾化
2、.14 3.6.2 喷射成形 雾滴的沉积 .18 3.7 喷射成形工艺控制因素 .19 4 喷射成形技术制备高速钢材料的研究进展 .20 4.1 喷射成形技术的研究进展和应用 .20 4.1.1 喷射成形国外研究现状 .20 4.1.2 喷射成形国内研究 现状 .22 4.2 喷射成形技术在高速钢制备中的应用 .22 5 喷射成形发展前景展望 .25 6 结论 .25 参 考 文 献 .26 北京科技大学材料科学与工程选论课程学习 1 2喷射成形法制备高速钢及组织性能研究 左锦荣 B20120502 北京科技大学新金属材料国家重点实验室 摘 要 高速钢中碳化物的种类、数量、尺寸、分布及形貌等是
3、决定其性能的关键因素。传统低冷速的铸造易引起严重偏析、一次碳化物粗大，从而严重恶化高速钢性能；而高冷速的喷射成形工艺能极大地抑制宏观偏析的发生，提高固溶度并细化组织，提高材料的强韧性。喷射成形技术在工模具钢方面的研究证明其能有效提高高速钢性能且成本较为低廉，一定 程度上了替代粉末冶金制备高速钢。喷射成形工艺对高速钢组织及碳化物形貌、尺寸和分布的显著优化使的喷射成形高速钢表现出良好的热加工变形性能，而同成分的铸态高速钢变形性能差，极易锻造开裂。 关键词 喷射成形；高速钢；性能；组织 北京科技大学材料科学与工程选论课程学习 3 Study on microstructures and proper
4、ties of spray formed high speed steel Zuojinrong B20120502 School of AMM, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT The properties of the high speed steels are usually determined by the types, amounts, sizes, distributions and shapes of the carbides. The low coolin
5、g rate of the traditional cast process can induce macrosegregation and coarse “primary carbides“, which can greatly deteriorate the properties. However, due to the high cooling rate, the spray-formed metallic materials can be characterised by the absence of macrosegregations, finer microstructures,
6、increased solid solubility, increased strength and toughness, better hot workability. Thus, spray forming has been proven to be a powerful tool for the production of high-alloyed materials. Compared to powder metallurgy, the process chains of spray forming are much shorter.The spray formed high spee
7、d steels possess excellent hot workability, which is induced by the microstructures improvement. The cast steel with same chemical composition would be inclined to crack during hot working, due to its coarse dendrites and heterogeneous carbides. KEY WORDS : Spray forming, High speed steel, Propertie
8、s,Microstructure 北京科技大学材料科学与工程选论课程学习 1 绪论 高速钢具有高硬度、一定的塑韧性、高耐磨性以及良好的红硬性等良好的综合性能 。 因此被大量用来制作加工工业所使用的刀具，也部分用于特殊用模具、轴承等有特殊要求的部件。高速钢的发明使用已有一百多年的历史，人 们对高速钢的合金化思想、种类发展、制备方式、热处理工艺、组织性能优化等方面进行了大量的工作，历经铸造 -电渣 -粉末冶金高速钢，发展形成了不同应用环境、高中低档种类齐全的高速钢体系。自从 1923年，德国的施勒特尔发明 硬质合金以来，由于其具有极高的硬度及耐磨性，在一些切削领域，如单刃刀具 -车刀，硬质合金广泛
9、替代了高速钢。特别是 上 世纪五十年代以后，快速发展的科学技术及加工制备手段，使得许多超高硬、高耐磨刀具材料快速涌现并大量使用，且在切削速度、切削效率以及切削高硬难加工金属和非金属方面具有极大的优势，例如 TiC、 WC和立方氮化硼 等硬质合金。虽然在机加工一些特殊领域，硬质冶金展现出优异的切削性能，但其高硬高耐磨的同时也牺牲了韧性，且可加工性不高，因此在形状复杂、精密刀具方面高速钢依然具有较大优势，并且随着冶金技术的不断进步，高速钢的使用性能也得以不断提高。因此，虽然在高速切削的单刃刀具和难加工金属与非金属材料中硬质合金工具所占的比较越来越多，但是在复杂精密的多刃刀具、且经受冲击和振动的工况
10、下，高速钢刀具依然具有绝对优势。因此，在当前的技术条件下，现代刀具的两大重要材料依然为高速钢和硬质合金。高速钢是含 20%-30%碳化 物形成元素的铁基合金，传统生产高速钢的方法主要有两种：即冶炼 +锻造法和粉末冶金法。前者通常采用大吨位电弧炉冶炼、模铸浇铸成锭，但是由于钢锭浇铸的尺寸较大，钢液冷却缓慢，且高速钢化学成分复杂，合金含量较高，铸锭中碳化物组织粗大，分布不均匀，宏观偏析严重，凝固组织属共晶莱氏体，性能很脆，降低了高速钢的性能，使高速钢钢的锻、轧加工困难，高合金工模具钢的发展受到很大限制。 唯有粉末冶金工模具钢不论在钢种和性能上均还有发展的余地，高的冷速使它没有传统铸造 高速钢凝固过
11、程中缓冷产生的粗大一次碳化物和宏观偏析，提高了高速钢的 加工性能和综合力学性能。粉末冶金高速钢微观组织中一次碳化物细小均匀，组织各向同性，尺寸稳定性较高，使用寿命大幅提高，被广泛用于制造难加工材料的切削工具。但是，粉末冶金高速钢的制造工艺复杂，工序繁琐，成本高 ，售价昂贵，其制备工序包括制粉 (水雾化或气雾化 )-筛分 -混粉 -压制 (或冷等静压 )-装盒、抽真空 -热等静压 -后加工 -成品 ，其中热等静压是粉末冶金工艺的主要工序，决定着粉末冶金高速钢的组织性能，但是其设备昂贵，大幅提高了粉末冶金高速钢的成本。另一方面，粉末冶金工艺中雾化制粉阶段能量的利用仅为 3%-4%，满足压制 要求粒
12、度的粉末收得率不高，需要重复制粉，能源利用率十分低。我国在粉末冶金高速钢方面的研究起步晚、底子薄，高端粉末冶金高速钢大部分依靠国外进口，为了提高粉末冶金高速钢的生产效率，降低生产成本，就要发展一种新的高速钢生产工艺，制备高附加值、高性能北京科技大学材料科学与工程选论课程学习 2 的高速钢。 粉末冶金工模具钢的成本较高，在国内外市场上属于较昂贵的钢种，我国由于工具及机械制造业的相对落后，粉末冶金工模具钢市场有待扩展。而喷射成形可以直接沉积成形高合金工模具钢部件，工艺流程明显缩短，制造周期和成本显著下降，且具有与粉末冶金高合金工模具钢类似的性能特征 ，合金含量高，碳化物细小，组织均匀，模具使用寿命
13、明显增加，综合性能远高于熔铸锻造工模具钢。 北京科技大学材料科学与工程选论课程学习 3 1.高速工具钢简介 1.1 高速钢的发展史 高速钢的出现可以追溯到 19 世纪： 1868 年，英国人马希特 (R F Mushet)发明了锰 -钨自硬化钢 (C 2%, W 7%, Mn 2.5%)，主要用作制造刀具。 1898-1900 年，美国人泰勒 (F W Taylor)和英国人怀特 (M White)共同发明了接近熔点的高温淬火和高温回火工艺，并用铬 -钨钢取代锰 -钨钢，把工具钢的 切削速度提高到了 20 m/min，并于 1900 年在巴黎国际博览会上表演引起轰动，这是高速钢发展史上的一个重
14、大突破。 1910 年研制出了 W18Cr4V 钢 (C 0.75%， W 18%，Cr 4%， V 1%)，获得巨大成功，并且一直沿用至今。 1923 年，研制出了含钴 12%-15%的高速钢，可将刀具的切削速度提高至 40 m/min。 1932 年，美国人埃蒙斯 (J V Emmons)发明了高钼高速钢 M1(W2Mo9Cr4V)。 1937 年，美国人布里勒 (W Breelor)发明钨钼高速钢 M2 (W6Mo5Cr4V2)，这是 现今世界各国应用最广泛的一种通用型高速工具钢。 1939 年，出现了含钒 3%-5%的高碳高钒高速钢，又称 “超高速钢 ”。在第二次世界大战期间，因为合金
15、元素的缺乏，德国首先研制应用了低合金高速钢。 1953 年，出现了加硫 (0.05%-0.2%)的易切削高速钢。1962 年，美国人斯蒂文 (J Steven)研制出了超硬高速钢 M41，并发表了著名的平衡碳公式。之后，在美国又研制出了 M40 超硬高速钢系列，其中的 M42 钢 (W2Mo9Cr4VCo8)的硬度可高达70 HRC，是应用最广泛的一种超硬高速钢。上世纪 60 年代，我国研制 开发了含铝高速钢。 1965年，美国克鲁斯伯公司 (Crucible Steels)发明了粉末冶金高速钢。 1970 年，瑞典 Stora-ASEA 粉末冶金高速钢开始生产；高速钢越来越多的应用于高载荷冷
16、作模具，使高速钢的发展进入了一个新阶段 1。 1.2 高速钢的组织性能特点 高速钢是一种合金元素种类多、总含量高的高碳钢（ C 含量 可超过 1%），主要有以下组织和性能特点： (1) 高速钢的凝固组织为马氏体、残余奥氏体和一次共晶碳化物，且一次碳化物数量较多（约占 10%-20%），尺寸约在 2 m-20 m，因此碳化物的大 量存在对高速钢的组织性能有重要影响。 (2) 由于高速钢中合金元素多， C 曲线右移，淬透性大幅提高。 (3) 高速钢回火（通常为 560 oC）过程中，通过残余奥氏体转变为马氏体及二次碳化物的弥散析出获得二次硬化效果，使调质后的使用状态具有高硬、高耐磨且具有一定的塑韧
17、性。 北京科技大学材料科学与工程选论课程学习 4 (4) 高速钢的淬火温度高，由于难溶碳化物的存在，淬火过程中可以保持较高的晶粒度。因此，在获得过饱和固溶体后续回火提高硬度的同时，由于细晶作用也保持较高的塑韧性。 (5) 高速钢的退火硬度通常低于 300 HB，可以在退化状态下加工成最终所需要 的形状，且淬火 -回火过程中尺寸稳定性较好，具有硬质合金无法相比的加工性能。 总之，高速钢高硬、高耐磨性兼顾一定的塑韧性，且具有良好的加工性能，综合性能优异，被广泛用来制作加工工业所使用的刀具，也部分用于特殊用模具、轴承等特殊要求的部件。 1.3 高速钢中碳化物类型 高速钢的显著特点就是微观组织中含有大
18、量碳化物，其数量、种类、尺寸和分布决定着高速钢的各项性能。按照碳化物的凝固特征将其分为一次和二次碳化物。在凝固过程中，直接从钢液中析出的为一次碳化物（包括先共晶和共晶碳化物），钨系高速钢中主要是 M6C、 MC，而钼 系（钨钼系）高速钢中主要为 M2C、 MC，冷速的提高也有利于 M2C 碳化物的形成 ，通过后续的热加工和热处理使之破碎并颗粒化；从固态基体中析出的碳化物是二次碳化物，主要有M6C、 MC、 M23C6、 M7C3 及 M2C 等不同类型。几种主要的合金碳化物及其结构如表 1 所示： 表 错误 !使用“开始”选项卡将 u 正文 1 级标题 应用于要在此处显示的文字。 几种主要的合
19、金碳化物及其结构 单位： ()1 MC 型： MC 是典型的面心立方结构，主要元素是钒，可溶解少量的钨、钼、铬，而铁元素很难溶入 MC 中（含量一般 不超过 10%）。主要是一次碳化物（部分二次 MC 在回火过程中弥散析出）形式存在，在钒含量高或者添加有强碳化物形成元素（如铌）的钢中，其在凝固析出可先于 -Fe（或 -Fe）而直接在钢液析出，而形成粗大的一次碳化物，恶化材料的加工性能和塑韧性，采用粉末冶金的方式制备可有效降低一次碳化物长大倾向，细化碳化物，从而提高高速钢奥氏体化温度。因此，传统制备过程中尽量避免凝固过程中形成粗大一次 MC，而一般依靠 M2C 分解产生的细小 MC 颗粒，但是快
20、速冷却手段如粉末冶金和喷射成形可以适当提高其含量以改善钢的组织性能。 北京科技大学材料科学与工程选论课程学习 5 M6C 型 ：同样是面心立方结构，其凝固态形貌是典型的具有中脊的鱼骨状碳化物，且其形貌不受化学成分和冷却速度的影响，快冷只能减少碳化物板条间的距离。 M6C 中 M 代表钨、钼、钒、铬以及铁（约占 50%），钨、钼的比例与其钢中化学成分所占比例一直，而钒的容量则较少。总之， M6C 晶体结构复杂，硬度约为 1500 HV。 M2C 型：主要存在于铸态组织中，晶体结构为密排六方。与 M6C 不同， M2C 的形貌严重依赖于钢的化学成分、冷却速度，而呈现出羽毛状，棒状，扇状以及薄片状。
21、 M2C 是一种亚稳态碳化物，在高于 900 oC 保温分解成 M6C 和 MC，其原始形貌严重影响分解动力学，原始M2C 片层越薄，分解越快，分解后的 M6C 和 MC 也更加细小、弥散。 1.4 高速钢近年研究进展： 近年来，快速发展的科学技术及加工制备手段，使得许多超高硬、高耐磨刀具材料快速涌现并大量使用，且在切削速度、切削效率以及切削高硬难加工金属和非金属方面具有极大的优势，例如 TiC、 WC 和立方氮化硼等硬质合金。虽然在机加工一些特殊领域，硬质冶金展现出优异的切削性能，但其高硬高耐磨的同时也牺牲了韧性，且可加工性不高，因此在形状复杂、精密刀具方面高速钢依然具有较大优势，并且随着冶
22、金技术的 不断进步，高速钢的使用性能也得以不断提高。因此，虽然在高速切削的单刃刀具和难加工金属与非金属材料中硬质合金工具所占的比较越来越多，但是在复杂精密的多刃刀具、且经受冲击和振动的工况下，高速钢刀具依然具有绝对优势。表 2 是国外对常用工具销售额按材料分类的统计 2。 表 2 主要机加工工具销售金额比例表 2 刀具名称 占刀具份额 各种刀具中不同材料所占比例 (%) (%) 陶瓷 高速钢 硬质合金 车刀 25 2 17 81 麻花钻 23 0 96 4 功丝刀具 20 0 100 0 刀头与铣刀 12 0 60 40 齿轮刀具 5.7 0 98 2 铰刀 5.4 0 60 40 拉刀 4.
23、8 0 100 0 北京科技大学材料科学与工程选论课程学习 6 2 高速钢的主要制备方法 2.1 传统铸造技术 高速钢的一大特点就是含有大量合金元素，传统铸锭制备高速钢的凝固速度缓慢，在结晶前沿形成大量碳和合金元素的偏析，而最终在二次枝晶间形成粗大的共晶碳化物网，在使用过程中易于产生应力集中，韧性较差。传统上，为了消除碳化物的不均匀分布，采用高温反复锻打或轧制使之破碎并均匀分布。但是受加工设备及锻压比限制，碳化物分布效果不能令人满意，常成带状分布，且由于 碳含量高，锻造过程中易于开裂形成废品。据统计，高速钢从铸锭到最终的刀具产品，材料在整个生产过程中的利用率仅为 (24-36)%。 铸造高速钢
24、刀具最早由前苏联提出并加以研究，在上世纪五十年代，我国也研究了相应的生产工艺，并进行了一些试制和应用，但是效果不理想，主要是由于铸造高速钢冷速缓慢的先天不足，晶界共晶网状碳化物难以消除，致使铸造高速钢晶界易于产生应力集中，脆性大、韧性差。 总之，虽然铸造高速钢的工艺简单、成本低，但是由于冷速过于缓慢，晶界碳化物网难以消除，铸造高速钢的强度、韧性难以提高，从而铸造高速钢的发 展受到很大限制。 2.2 电渣重熔技术 电渣重熔技术是一种精炼冶金技术，集钢液二次精炼与定向凝固相结合的综合冶金铸造过程，可以大幅降低钢液的硫磷含量，并且减少非金属夹杂物含量，提高钢液纯净度。电渣重熔一般采用真空感应熔炼得到
25、的坯料作为自耗电极，自耗电极棒被电流通过熔渣所产生的热量熔化，熔化后的金属液经过渣层的净化进入金属熔池，最终在水冷结晶器内凝固，其基本过程见图 1。 自美国的霍普金斯 (R.K.Hopkins)于 20 世纪 40 年代首先提出这种精炼方法的原理以来，其在冶金工业中的应用得到了迅速的发展，例如优质合 金钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金以及铝、铜、钛、银等有色金属的制备。据报道，电渣重熔的发展毫无例外几乎都与高速钢有关，而且现在国外主要钢厂高质量的高速钢都在用电渣重熔法生产。我国的电渣重熔技术到目前为止已经较为成熟，太钢采用 4.3 t 扁结晶器可生产 D2 模具钢电渣扁锭 (848390/89
26、5455 mm2，高 2020 mm)；宝钢股份特殊钢事业部从美国的 CONSARC 公司引进了 7 t 相单电极板坯电渣炉；攀钢集团四川长城特殊钢有限公司采用 5 t双极串联电渣炉生产 H13 大型锭 ( 7628301450 mm3, 6507261850 mm3)； 2006 年舞钢建成了世界上最大断面的板坯电渣炉，最大锭重 40 t，北京科技大学材料科学与工程选论课程学习 7 断面尺寸为 9502000 mm2， 2009 年第 2 台和第 3 台同样规模的电渣炉也相继投产。 图 错误 !使用“开始”选项卡将 u 正文 1 级标题 应用于要在此处显示的文字。 电渣重熔过程示意图 电渣重
27、熔的主要优点是： 电渣重熔技术可以提高钢的纯净度，改善钢的低倍组织；熔渣的存在能够有效去除钢中有害元素（如硫、磷等），同时可以减小钢液中的非金属夹杂物，提高钢液的纯净度；由于电渣锭冷速较快 ，低倍组织得到改善，同时也使钢中碳化物的分布更加均匀；组织的改善也提高了高速钢的热塑性。据文献报道， P6M5K5(俄 M2 高速钢牌号 )钢经电渣重熔后热塑性提高了20%-50%；电渣高速钢成材率高，使用性能好；综合以上优点，电渣重熔成为高性能高速钢大规模生产的主要技术。 但是，需要指出的是，电渣重熔尽管相对传统铸造技术有着巨大的进步，但是也存在一些难以回避的问题：电渣重熔凝固速度依然偏低，晶粒依然较为粗大，一次碳化物尺寸分布依然不均匀；电渣重熔技术能耗高，据统计，我国电渣钢电耗高达 1600-2000 Kwh/t；由于在电渣重熔中使用的熔渣萤石 (CaF2)，在生产过程中产生氟化物，对环境和人体的危害极大 3。 电渣重熔的出现是一项重大的冶金技术进步尤其是在改善高速钢低倍组织和提高钢材质量方面，效果明显。但其影响其发展的负面影响是能耗高、污染环境、生产效率较低。在能源、环境两大问题的严峻的压力下，有必要开发高速钢替代生产工艺，实现高速钢生产的绿色、高效 4。
