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摘 要：研究了在熱等靜壓低壓工藝參數(shù)下，T15 粉末高速鋼組織中析出粗大碳化物的現(xiàn)象，粗大碳化物使材料性能大大降低，并且發(fā)現(xiàn)很難通過(guò)后續(xù)的鍛造和熱處理手段加以消除，因而提出：合理選擇粉末高速鋼致密化工藝參數(shù)是十分必要的。
關(guān)鍵詞：粉末高速鋼；熱等靜壓；壓力；碳化物
 
中圖分類(lèi)號(hào)：TF12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672- 545X（2010）01- 0006- 03
 
粉末高速鋼優(yōu)于熔煉高速鋼最主要的特點(diǎn)，就是在合理的燒結(jié)工藝下能夠幾乎完全抑止粉末內(nèi)部的合金元素偏析和粗大碳化物析出，使得碳化物均勻細(xì)小彌散分布在組織中，大
 
大提高了力學(xué)性能和使用性能^[1~2]。粉末高速鋼的致密化工藝多種多樣，如熱等靜壓工藝、噴射成型工藝、擠壓成型工藝等，但是最常采用的路線還是霧化制粉 + 熱等靜壓(HIP)。在合理的熱等靜壓工藝參數(shù)下，粉末高速鋼結(jié)構(gòu)致密，碳化物顆粒非常細(xì)小，且呈彌散分布。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究了熱等靜壓工藝參數(shù)，包括溫度、時(shí)間和壓力對(duì)碳化物尺寸、 形貌、種類(lèi)及其機(jī)械性能的影響。本文主要研究在熱等靜壓低壓工藝參數(shù)下，
 
T15 粉末高速鋼組織中析出大尺寸碳化物，使材料性能大大降低，并且發(fā)現(xiàn)，很難通過(guò)后續(xù)的鍛造和熱處理手段消除粗大碳化物。
 

1. 實(shí)驗(yàn)材料與步驟

本文實(shí)驗(yàn)研究的原料為 T15 高速鋼粉末。粉末經(jīng)過(guò)篩分、裝套、抽氣、封焊后，在熱等靜壓機(jī)（型號(hào)為 QIH- 15 型熱等靜壓試驗(yàn)機(jī)） 中燒結(jié)，后經(jīng)過(guò)精鍛和熱處理。利用 LEO- 1450
 
（British）型帶有背散射和能譜分析儀（EDS）的掃描電子顯微鏡（SEM）和光學(xué)顯微鏡分析粉末形貌、鋼坯的組織、碳化物的種類(lèi)及其斷口形貌。
 

2. 結(jié)果分析

2.1 粉末形貌
 
T15 粉末高速鋼成分如表 1 所示，可知粉末合格，氧含量達(dá)標(biāo)。我們所用的粉末通過(guò)了 200 目的篩子，粉末形貌如圖 1所示，
圖 1(a)為二次電子照片，圖 1(b)為背散射電子照片，從背散射電子照片中，可以看到粉末顆粒中的碳化物非常細(xì)小。
 

	表 1	T15 粉末化學(xué)元素含量表					（%）
C	P	S	Cr	Mo	V	W	O
1.62	0.025	0.001 7	4.20	0.11	4.81	12.00	0.012
Co	Mg	Ca	Al	Si	N	H
4.79	0.000 5	0.000 5	0.021	0.16	0.11	0.000 5

 
 
 
 
 

2. 熱等靜壓低下形成的組織

 
所選熱等靜壓壓力為 65 MPa，溫度為 1 150 ℃，保溫 3 h，壓坯組織圖如 2(a)所示，得到了粗大碳化物，最大尺寸可達(dá)15～20 μm，并且粗大的碳化物大多數(shù)都在三個(gè)顆粒的邊界交叉處聚集長(zhǎng)大，經(jīng)過(guò)熱處理后，硬度最高只能達(dá)到 65 HRC，抗彎強(qiáng)度最高只有 2 000 MPa 左右，還不及熔煉高速鋼的水平。斷口組織如圖 3 所示，可看到斷裂基本上是沿著大尺寸碳化物組織發(fā)生。碳化物主要是碳化鎢和碳化釩，析出的大尺寸碳化物是性能較低的主要因素。在 65 MPa 的壓力下，把熱等靜壓溫度降低了 50 ℃，壓坯組織圖如 2(b)所示，碳化物尺寸沒(méi)有減小，與圖 2(a) 組織圖沒(méi)有多大差別，因此我們排除了溫度這個(gè)影響因素。并且粉末中的碳化物也是細(xì)小彌散分布的，可知大尺寸的碳化物形成主要是我們采用了低壓，一般壓力應(yīng)該在 100 MPa 以上^[3~4]。

 

2. 粉末高速鋼中碳化物粗化機(jī)理為了分析的需要，本文將 T15 粉末高速鋼析出的碳化物進(jìn)行了分類(lèi)，碳化物根據(jù)在鋼中析出的位置，可分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)是在顆粒內(nèi)部析出，第二類(lèi)是在顆粒之間析出。

 
        
對(duì)第一類(lèi)碳化物的形成機(jī)理，提出如圖 4 所示的碳化物形成過(guò)程^[3]。其主要過(guò)程是液相與固相共存區(qū)，降低溫度冷卻時(shí)，液相首先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相（即 L → γ），隨后溫度繼續(xù)降低，在奧氏體相之間剩余的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和碳化物（即 Le → γ + 碳化物），直到最終全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔酁橹?，此?lèi)碳化物在顆粒內(nèi)部，抑制了碳化物的長(zhǎng)大。對(duì)于第二類(lèi)碳化物，結(jié)合熱等靜壓的原理以及碳化物析出的形貌分析，本文提出了碳化物析出－聚集長(zhǎng)大的碳化物粗化模型（如圖 5 所示），在高壓條件下，顆粒間比較致密，顆粒間形成的碳化物比較細(xì)??；在低壓條件下，顆粒間比較疏松，顆粒間形成的碳化物就比較粗大。



 
為了進(jìn)一步解釋本文提出的碳化物析出－聚集長(zhǎng)大的碳化物粗化的模型，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行了分析。圖 6 為高速鋼偽相圖，T15 粉末高速鋼含碳量為 1.5% ～ 1.6％，在1 100～1 150 ℃的熱等靜壓溫度下，組織中存在液相、碳化物和奧氏體化區(qū)域，也就是說(shuō)在保溫加壓階段，碳化物已經(jīng)開(kāi)始析出。因?yàn)轭w粒大多數(shù)為球形，所以當(dāng)壓力過(guò)低時(shí)，在顆粒與顆粒之間會(huì)存在較大的空隙，由于顆粒邊界能量較高，碳化物優(yōu)先在顆粒邊界析出，這時(shí)候顆粒邊界析出的碳化物，會(huì)輕而易舉的占據(jù)這個(gè)空隙，與相近的碳化物接觸，從而聚集長(zhǎng)大，形成了粗大的碳化物。這時(shí)候的熱等靜壓壓坯的致密，其實(shí)是偽致密，甚至有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)所測(cè)密度大于理論密度的現(xiàn)象。而當(dāng)壓力提高時(shí)，顆粒受到較大壓力的作用，形狀發(fā)生改變，朝著有利于顆粒之間空隙減小的方向發(fā)展，結(jié)果就是顆粒之間的空隙大大減小甚至消失。這時(shí)候在顆粒間隙上形成的碳化物尺寸，也就相應(yīng)大大的縮小，碳化物會(huì)細(xì)小均勻地彌散在顆粒中，這和圖 2 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

 
 

• 7 為吳引江等人研究的在不同壓力下，在 900 ℃ 保溫3 h 熱等靜壓機(jī)中，Ti- 5Al- 2.5Sn 粉末顆粒界面的形態(tài)，圖 7(a)中顆粒形狀基本沒(méi)有太大變化，仍為初始的圓形，并且顆粒之間有很大的間隙，當(dāng)壓力增大時(shí)，顆粒變形較大，顆粒間的空隙消失，這也證實(shí)了我們的模型圖。

 

3. 熱處理和鍛造工藝對(duì)大尺寸碳化物的影響析出的大尺寸碳化物，是阻礙性能提高的主要因素。我們隨后對(duì)這種低壓下制備的 T15 鋼進(jìn)行了鍛造和熱處理，希望能通過(guò)鍛造和熱處理減小碳化物的尺寸。

（1）鍛造。眾所周知，鍛造可以細(xì)化晶粒。圖 8(a)為鍛造比為 3:1 時(shí)鍛造后的組織，與熱等靜壓壓坯組織相比，碳化物尺寸幾乎沒(méi)有減小，于是我們加大鍛造比改為 5:1，有局部地方出現(xiàn)了鍛裂的情況，但是組織中的碳化物尺寸還有沒(méi)有多大變化，如圖 8(b)所示。因此，通過(guò)鍛造手段對(duì)于在粉末冶金致密化過(guò)程中形成的碳化物尺寸的減小，幾乎不起作用。