NbC含量对烧结NbC_ASP2080高速钢复合材料组织及性能的影响.pdf
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1、第 卷第期 年月有色金属工程N o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n gV o l ,N o A p r i l d o i:/j i s s n 收稿日期:基金项目:湖南省研究生科研创新项目(Q L ),湖南省高新技术产业科技创新引领计划(G K )F u n d:S u p p o r t e db yH u n a nP r o v i n c i a l I n n o v a t i o nF o u n d a t i o nf o rP o s t g r a d u a t e(Q L ),H u n a nP r o
2、v i n c eH i g hT e c hI n d u s t r yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yI n n o v a t i o nL e a d i n gP l a n(GK )作者简介:胡莎(),女,硕士研究生,材料与化工专业.引用格式:胡莎,陈刚,贾寓真,等N b C含量对烧结N b C/A S P 高速钢复合材料组织及性能的影响J有色金属工程,():HUS h a,C HE NG a n g,J I AY u z h e n,e t a l E f f e c to fN b CC o n t e n to nt h eO r
3、g a n i z a t i o na n dM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fN b C/A S P H i g h S p e e dS t e e lC o m p o s i t e sJN o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n g,():N b C含量对烧结N b C/A S P 高速钢复合材料组织及性能的影响胡莎,陈刚,贾寓真,喻浩然,许新雨(湖南大学材料科学与工程学院,长沙 ;湖南泰嘉新材料科技股份有限公司 湖南省高速高效双金属锯切工程技术研究中心,长沙 ;湖南科技大学 难
4、加工材料高效精密加工湖南省重点实验室,湖南 湘潭 ;湖南泰嘉智能科技有限公司,长沙 )摘要:为了提升高速钢的红硬性及韧性,通过粉末球磨(碳化物及金属粉末)加真空烧结工艺制备了不同含量的N b C颗粒增强A S P 高速钢复合材料.利用X R D、S EM、E D S、万能拉伸试验机等对N b C/A S P 高速钢复合材料的微观组织及力学性能进行了表征分析.结果表明:N b C的添加不会改变复合材料的相结构,并且随着N b C含量的增加,热处理态复合材料的基体晶粒尺寸明显减小;热处理能显著提升复合材料的硬度、抗弯强度及冲击韧性;热处理态复合材料的硬度、抗弯强度及冲击韧性随着N b C含量的增加
5、均出现先增大后减小的趋势.N b C含量为时的热处理态复合材料拥有最佳的综合性能,其平均晶粒尺寸为 m,硬度、抗弯强度和冲击韧性分别为 HR C、MP a、J/c m.关键词:高速钢;N b C;复合材料中图分类号:T G 文献标志码:A文章编号:()E f f e c t o fN b CC o n t e n t o nt h eO r g a n i z a t i o na n dM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fN b C/A S P H i g h S p e e dS t e e lC o m p o s i t e sHUS h
6、a,CHE NG a n g,J I AY u z h e n,YU H a o r a n,XUX i n y u(C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,H u n a nU n i v e r s i t y,C h a n g s h a ,C h i n a;B i c h a m pC u t t i n gT e c h n o l o g y(H u n a n)C o,L t d,S a w i n gE n g i n e e r i n gR e s e a r c
7、hC e n t e r o fH u n a nP r o v i n c e,C h a n g s h a ,C h i n a;H u n a nP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo fH i g hE f f i c i e n c ya n dP r e c i s i o nM a c h i n i n go fD i f f i c u l t t o C u tM a t e r i a l,H u n a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c eT e c h n o l o g y,X
8、i a n g t a n ,C h i n a;T a i j i a I n t e l l i g e n tT e c h n o l o g y(H u n a n)C o,L t d,C h a n g s h a ,C h i n a;)A b s t r a c t:T oe n h a n c et h e h o th a r d n e s sa n dt o u g h n e s so f H S S,N b C p a r t i c l e sr e i n f o r c e d A S P H S Sc o m p o s i t e sw e r ep r
9、e p a r e di nt h i sp a p e rb yp o w d e rb a l lm i l l i n g(c a r b i d ea n dm e t a lp o w d e r s)p l u sv a c u u ms i n t e r i n gp r o c e s s T h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fN b C/A S P H S Sc o m p o s i t e sw e r ec h a r a c t e r i z e
10、da n da n a l y z e dv i aX R D,S EM,E D S,a n du n i v e r s a l t e n s i l e t e s t i n gm a c h i n e T h e r e s u l t ss h o wt h a t:t h ea d d i t i o no fN b Cd o e sn o t c h a n g e t h ep h a s es t r u c t u r eo fc o m p o s i t e s,a n dw i t ht h ei n c r e a s eo fN b Cc o n t e n
11、t,t h em a t r i xg r a i ns i z eo fh e a t t r e a t e dc o m p o s i t e sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y;h e a tt r e a t m e n tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h eh a r d n e s s,f l e x u r a ls t r e n g t h有 色 金 属 工 程第 卷a n d i m p a c t t o u g h n e s so f c o m p o
12、 s i t e s;t h eh a r d n e s s,f l e x u r a l s t r e n g t ha n d i m p a c t t o u g h n e s so fh e a t t r e a t e dc o m p o s i t e sw i t ht h e i n c r e a s eo fN b Cc o n t e n t a r e i n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e dt r e n d T h eh e a t t r e a t e dc o m p o s i t e sw
13、i t h N b Cc o n t e n th a v e t h eb e s t o v e r a l l p e r f o r m a n c e,w i t ha na v e r a g eg r a i ns i z eo f m,a n dt h eh a r d n e s s,f l e x u r a l s t r e n g t ha n d i m p a c t t o u g h n e s so f HR C,MP a,a n d J/c m,r e s p e c t i v e l y K e yw o r d s:h i g h s p e e d
14、s t e e l;N b C;c o m p o s i t e s高速钢因其具有高硬度、高耐磨性和高耐热性被广泛用于金属切削、轴承及模具等行业.随着现代工业的不断发展,对高速钢性能的要求也不断提升,比如面临高速切削的需求,传统高速钢锯刃在高温、高速以及振动工况条件下,其硬性和韧性难以兼顾.因此,基于粉末冶金开发新型高速钢及高速钢基复合材料,以提升高速钢的综合力学性能,成为了近年来的研究热点 .N b C作为钢铁中微合金化的典型产物,有高熔点()、高硬度(G P a)和低密度(g/c m),高温力学性能稳定且与铁基体的润湿性较好等特点,继而成为了可显著提升铁基材料强硬度的首选增强相之一.Q
15、I N等 采用机械合金化制备了纳米N b C颗粒增强S C低碳钢,所制备的复合材料纳米N b C颗粒分散良好、分布均匀,相对于铸态组织晶粒显著细化,热处理后复合钢的硬度达到 HR B.HA D I AN等 针 对M 高 速 钢 粘 结N b C基硬质合金,研究了烧结温度对其组织的影响,发现较高的烧结温度()可使M 基体对N b C颗粒的良好润湿,实现金属粘结剂的铺展和N b C晶粒之间的均匀分布,但N b C晶粒生长速率高,长大明显(由 到 m);采用 烧结的样品,硬度达到了()G P a.近年来,直接以碳化物与金属粉末为原料的烧结工艺备受关注,如V C、T i C颗粒和铁粉为原料,混合后通过
16、压制烧结制备的粉末冶金高速钢.其优势是以碳化物为原料,可以避免预合金粉末在球磨混料过程中V、T i、C r等活性金属的氧化,而且还可以利用未溶碳化物的钉扎效应,防止烧结过程中的晶粒长大.但是目前采用该工艺制备高速钢基复合材料尚未见报道.本文以N b C/A S P 复合材料为研究对象,采用粉末球磨(碳化物及金属粉末)加真空烧结工艺,研究了N b C含量对N b C/A S P 复合材料显微组织和力学性能的影响,以期为N b C颗粒增强铁基复合材料的应用提供实验和理论依据.实验过程采用纯度 的C rC、M oC,V C、WC、C o、F e粉末参照A S P 高速钢成分进行配比再加入不同 质 量
17、 的N b C粉 末 进 行 混 合,其 含 量 分 别 为、(以下简称N、N、N、N),A S P 高速钢的化学成分如表所示,各原料粒径、配比如表所示.混料采用X QM 型行星球磨机进行湿式球磨(分散剂无水乙醇;球料比 ;转速 r/m i n;时间h),磨球材料为Y G 硬质合金.表A S P 高速钢的化学成分(质量百分比,w t)T a b l eC h e m i c a l c o m p o s i t i o no fA S P h i g h s p e e ds t e e l(m a s sp e r c e n t,w t)CC rM oWC oV 表粉末原材料粒径、配比T
18、 a b l eP o w d e r r a wm a t e r i a lp a r t i c l e s i z ea n dp r o p o r t i o nM a t e r i a l sA v e r a g ep a r t i c l es i z e/mM a s sp e r c e n t/w t WC M oC C rC V C C o F e N b C /球磨获得的浆料在真空干燥箱中干燥(温度;时 间 h).过 筛 后 加 入 丁 苯 橡 胶(比 例 w t)汽油溶液为粉末成型剂,将粉末压制(压力 M P a)成坯(坯件尺寸 m m m m m m);将压
19、制成型的粉末坯置于真空烧结炉中脱胶和烧结(/m i n /m i n,炉冷),烧结试样经热处理(m i n油淬,h三次回火)后进行测试.采用 HR S 型洛氏硬度计测试热处理之后的样品的硬度;采用X J A型冲击试验机测试样品 的 冲 击 韧 性,冲 击 实 验 使 用 样 品 的 尺 寸 为mm mm mm;采用I n s t r o n 型电子万能试验机测试样品的抗弯强度,抗弯实验使用样品的尺寸为mmmm mm;采用D a d v a n c e型X射线衍射仪(X R D,电压 k V,范围为 至 ,扫描速度为/m i n)表征样品的相结构;通过N I R A T E S C AN型扫描电
20、子显微镜(S EM)及能量色散光谱仪(E D S)获得样品的形貌、显微结构及化第期胡莎等:N b C含量对烧结N b C/A S P 高速钢复合材料组织及性能的影响学成分分布;采用I m a g e J软件计算出样品的晶粒尺寸.结果与讨论 相结构图为不同状态 N样品的X R D图谱.与原始粉末成分相比,球磨态样品在 的位置出现了VC峰,这是由于MC型碳化物中的金属原子M具有面心简单立方结构,其中八面体间隙相都被碳原子占领,理论上,MC,但V C由于金属元素常常出现缺位,C元素可在 之间变化,所以钢中V C常以VC存在.烧结态样品与球磨态相比,各碳化物的峰消失,只剩下F e峰及V C峰.其中V
21、C峰位角向左偏离,说明碳化物之间形成了反应,进入铁基体及MC型碳化物中,使得相的晶格常数增加,形成了含有W、M o、N b、V的MC型复合碳化物.热处理态样品的物相较烧结态并未发生改变,说明热处理并未改变样品的物相组成.在碳化物和铁粉混合烧结的过程中,存在大量的固相反应.在 以下的时候,各碳化物保持原始状态,然而当温度大于 时,C rC、M oC和WC碳化物会消失,其中C rC碳化物溶解在铁基体中.M oC和WC碳化物均与铁基体发生反应,形成富M o和富W的MC碳化物.在温度高于 时,V C逐渐转变为含有大量W、M o、N b和V的MC碳化物.图不同状态 N样品的X R D图谱F i g X
22、R Dp a t t e r n so f Ns a m p l e s i nd i f f e r e n t s t a t e s图为不同N b C含量热处理态样品的X R D图谱.显示出随着N b C粉末的添加,MC碳化物峰的峰位角逐渐向左偏移,而F e峰的峰位角并未发生变化,说明N b元素固溶进了MC碳化物中,与文献 中的现象一致.图不同N b C含量热处理态样品的X R D图谱F i g X R Dp a t t e r n so fh e a t t r e a t e ds t a t e s a m p l e sw i t hd i f f e r e n tN b Cc
23、 o n t e n t s 显微组织对不同N b C含量的复合材料进行显微组织观察,结果如图所示.图(a)至(d)为烧结状态不同含量N b C的复合材料样品的显微组织图,深色部分为 F e基体,亮色部分为碳化物.由于是随炉冷却,F e基体的晶界不明显,晶粒大小无法确定,但是明显观察到随着N b C的添加,烧结状态复合材料碳化物的体积分数增大,并且出现了团聚的现象.热处理是决定高速钢性能的关键工艺.图(e)至(h)为热处理状态下不同含量N b C的复合材料样品的显微组织图.相较于烧结态,热处理态复合材料的晶界明显,并且随着N b C的添加,晶粒尺寸出现了显著的减小.碳化物的形态分布也发生了改变
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