超声雾化沉积WC颗粒增强高速钢复合材料的制备

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1997.06.016 第19卷第6期 北京科技大学学报 Vol.19 No.6 1997年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1997 超声雾化沉积WC颗粒增强 高速钢复合材料的制备 张丽英)田海舸)黄倬)吴成义) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京有色金属研究总院粉末冶金研究所，北京100088 摘要就采用超音雾化沉积方法制备WC颗粒强化M2高速钢复合材料的可能性进行了探讨.用 光学显微镜，电镜，硬度计等研究了复合材料的组织结构及硬度性能.最终获得了性能优异的复 合材料. 关键词雾化沉积，颗粒强化，高速钢 中图分类号1F123.112 传统的高速钢俦态组织成分偏析严重，碳化物粗大而不均匀，因而需要多次大变形量的 反复锻造，工艺繁杂).超声雾化沉积M2高速钢的性能超过或达到传统锻造M2高速钢和粉 末冶金高速钢的水平.但限于M2高速钢本身合金成分固定，使得采用后期热处理等其他辅 助加工手段不能大幅度提高其硬度和耐磨性，为满足工业需要，尝试利用喷射成形制备M2 高速钢基的WC颗粒强化复合材料有重要意义，一方面能保持喷射成形高速钢良好的组织结 构2~引，另一方面加入硬度很高的WC颗粒以期大幅度提高硬度，增加材料的耐磨性，由于用 超音雾化沉积法制备这一复合材料在国内尚无人尝试，众多问题均属探索阶段，特别是M2 高速钢本身熔点达1480℃，沉积时间只有30~50s,在这样的高温短时沉积过程中，能否将 较高比例的WC顺利加入射流，以及加人后WC颗粒与基体之间能否形成致密的冶金结合、 WC与基体之间的物理相容性等问题成为初期探索性工作所关心的焦点. 本文试图就以上问题进行研究，初步探索用雾化沉积法制备WC颗粒强化高速钢复合材 料的可能性. 1实验内容与实验方法 1.1 设备、工艺参数及实验方法 超音雾化沉积设备示意图见文献[4].采用如下工艺参数制备WCM2复合材料：雾化气压 为0.4MPa,金属液流量为3.0kg/min,WC颗粒流量为0.6~3kg/min,喷射距离为210mm, 雾化气体为氨气. 雾化金属为M2高速钢，WC粉粒度为费氏粒度1.4μm,采用负压输送外环加人法，喷嘴 1997-01-20收稿第一作者女53岁副教授 ◆国家自然科学基金资助项目

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 笼 。 超声雾化沉积 颗粒增强 高速钢复合材料 的制备 张丽 英 田 海舫 黄 掉 吴成 义 ’ 北京科技大学材料科学 与工程学 院 ， 北京 北京有色金属 研究总院粉末 冶金研究 所 ， 北京 摘要 就采用超音雾化沉积方法制备 颗粒强化 高速钢复合材料 的可能性进行 了探讨 用 光学 显微镜 ， 电镜 ， 硬 度计等研究 了复合材料 的组 织 结构及 硬 度性 能 最 终获得 了性 能优异 的复 合材料 关健词 雾化沉积 ， 颗粒强 化 ， 高速钢 中图分类号 传统 的高速 钢铸态组 织 成分偏析严重 ， 碳化 物粗 大 而 不 均 匀 ， 因而 需要 多 次大 变形 量 的 反复锻造 ， 工艺繁杂川 超 声雾化沉积 高速钢 的性 能超 过 或 达到传统锻造 高速钢和 粉 末 冶金 高速钢 的水平 但 限于 高速 钢 本身合金 成分 固定 ， 使得 采用 后 期 热处理 等其 他 辅 助 加 工 手 段 不 能 大 幅度 提 高其硬 度 和 耐磨 性 为满足 工 业需 要 ， 尝 试利 用 喷射成 形 制 备 高速 钢基 的 颗粒强化复合材料有重要 意义 一方 面能保持喷射成形 高速钢 良好 的组织结 构 一 ’ ， 另一 方 面加人硬 度很 高 的 颗粒 以期大 幅度提 高硬 度 ， 增加材料 的耐磨性 由于 用 超 音 雾 化 沉 积 法 制备这 一复 合材 料 在 国 内 尚无 人 尝试 ， 众 多 问题 均 属 探 索 阶段 ， 特别 是 高速 钢本 身熔 点达 ℃ ， 沉 积 时 间只 有 一 ， 在这 样 的高温 短 时沉 积过 程 中 ， 能否 将 较高 比例 的 顺利加人射流 ， 以及加人 后 颗粒 与基 体之 间能否 形 成致 密的冶金 结合 、 与基体之 间 的物理相 容性 等 问题 成 为初期探 索性 工作所 关心 的焦点 本文 试 图就 以 上 问题进行研究 ， 初 步探 索用雾化沉积法制备 颗粒 强化高速钢复合材 料 的可 能性 实验 内容与实验方法 设备 、 工艺参数及 实验方法 超音雾化沉积设备示 意 图见 文 献〔 采用 如下 工 艺参数制备 复合材 料 雾化气压 为 州田 ， 金 属 液 流量 为 吨 而 ， 颗粒 流 量 为 一 ， 喷射距 离 为 ， 雾化气体为氮气 雾化金 属 为 高速 钢 ， 粉粒度 为费 氏粒度 卜 ， 采 用 负压输 送外 环加 人 法 ， 喷 嘴 一 一 收稿 第一作者 女 岁 副教授 国家 自然 科学基金资助项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．06．016

·596· 北京科技大学学报 1997年第6期 采用环缝超音喷嘴（已获专利） 取雾化沉积所得合金的中心致密部分为样品，在Cmb加dge-250型扫描电镜下观察复合 材料的金相组织，并以能谱仪分析样品合金元素， 1.2实验内容 (1)观察采用雾化沉积法能否顺利加人WC颗粒，确定各项参数是否可行. (2)颗粒加人后，观察WC颗粒与基体的结合状态以及WC颗粒对基体组织的影响， (3)取试样一部分测定其硬度值并与普通铸锻M2高速钢硬度进行比较， 2实验结果与讨论 2.1WC颗粒加入的效果 图1是采用外环加人法加人WC所得合金组织照片，由图1可见，M2WC复合材料的基 体上均匀分布着约60%的WC颗粒，在此区域中没有出现WC颗粒被推斥到晶间而发生团 聚的现象，基体组织非常致密，说明WC颗粒在进人高速钢的过程中，沉积层内没有液相流 动，因而也就不存在液相前沿对第二相颗粒的推斥作用，进一步证实了雾化沉积过程是一个 增量凝固的过程：；同时说明采用负压输送外环加人法可以使雾化锥体捕获到WC颗粒但 应指出的是这种方法的捕获效率在本实验的工艺条件下仍然较低，还有待改进. 图】WCIM2金相组织 图2WCM2金相组织及W元囊扫描 2.2金相组织分析 由图1可见，WC颗粒与基体之间未发现宏观裂纹；由图2可见，WC颗粒边界与基体结 合十分紧密，没有残留孔隙和微裂纹.这一现象证明了WC与高速钢之间的热膨胀系数虽然 存在差异1，但膨胀曲线的走向匹配较好，沉积冷却过程中没有明显的热应力差造成的各种 缺陷.WC颗粒边界上的高速钢基体在沉积过程中能平展地将WC颗粒包围起来，尤其是在 WC颗粒间距只有几个μm的情况下，钢液也能够将WC颗粒浸润包覆，说明WC与高速钢的 浸润性很好.由此可见，WC颗粒与M2高速钢之间的物理相容性良好，能够满足材料设计的

Vol.19 No.6 张丽英等：超声雾化沉积WC颗粒增强高速钢复合材料的制备 ·597· 需求， 由图1同时可见，高速钢基体上的WC颗粒本身大小并不均匀，究其原因，一方面是实验 中加人的WC颗粒本身粒度不均；另一方面，在极短的高温时间内（约10~2s)部分WC颗粒 与高温金属液滴（约1500℃）结合，发生了WC重结晶现象，即大颗粒长大而小颗粒溶解.这 一现象由图2得以证实：WC颗粒边界发生了平直化，形状呈规则的四边形或菱形，说明WC 颗粒经历了重结晶长大的过程 图2上元素W的线扫描曲线可见，颗粒内部W含量与基体中的W含量差异很明显，颗 粒与边界之间的成分过渡层非常薄，说明在快速冷却过程中，WC颗粒中的W基本未向基体 中扩散，这是保持WC硬度的有利因素，对材料的耐磨性及整体硬度的提高是非常重要的.观 察M2WC复合材料的基体组织，发现其中基本没有网状或鱼骨状一次碳化物，在WC颗粒较 为稀疏的区域只有弥散分布的点状一次碳化物，而在WC颗粒较密集的区域内，一次碳化物 基本消失.究其原因，一方面，WC颗粒随多相流进人沉积体时，作为高动能粒子将击碎沉积 体中的网状和鱼骨状一次碳化物，从而使WC颗粒密集的区域中粗大的一次碳化物细化；另 一方面，WC颗粒进人沉积体时与金属液滴或半凝固状沉积表层之间的温度差异极大，实质 上成为“冷却剂”而进一步提高了WC颗粒周边基体的冷却速率，使得奥氏体中合金元素含量 的饱和固溶度上升，从而使一次碳化物析出量明显减少.如前所述，网状和鱼骨状一次碳化物 是高速钢合金组织性能的不利因素，而雾化沉积高速钢中加入WC颗粒使得网状和鱼骨状碳 化物明显减少甚至消失，而高的冷却速度使一次碳化物以点状析出，这无疑将非常有效地提 高材料的强度，使获得良好的硬度和强度配合成为可能，从图1中见到基体晶粒细小或呈现 大面积不完整晶界，是提高材料强韧性配合的有利因素， 2.3WC颗粒对复合材料硬度的影响 采用硬度计测定该材料的硬度值(HRC)并与常规铸锻高速钢比较，如表1所示 由表1可见，WC颗粒加人后的雾化沉积高速钢硬度平均值达到HRC70,比常规铸锻高 速钢高约5度，大幅度提高了材料的硬度，可见WC颗粒加人对改进材料的硬度十分有效， 表1喷射成形WC强化M2与常规M2HRC对比 材料 硬度(HRC) 平均值 沉积M2WC 69 71 70.5 69.5 70 70 常规铸锻M2 63.5 64 64.8 65.0 65.2 64~656 3 结论 (1)采用超音雾化沉积法制备WCM2高速钢复合材料是可行的.其中，负压输送外环加 人WC的方法是成功的 (2)WC颗粒与基体结合良好，二者之间有很好的物理相容性， (3)材料的组织特征有利于提高高速钢综合性能，WC颗粒的加入成功地提高了材料的 硬度，达到了材料设计的预期目的

张丽英等 超声雾化沉积 颗粒增 强 高速 钢复合材料的制备 需 求 由图 同时可见 ， 高速 钢基体上 的 颗粒本 身大小 并 不 均 匀 ， 究 其原 因 ， 一方 面是 实验 中加 人 的 颗粒本 身粒度不 均 另 一方 面 ， 在 极 短 的高温 时 间 内 约 一 部分 颗粒 与高温 金 属 液滴 约 ℃ 结 合 ， 发 生 了 重 结 晶现 象 ， 即大 颗粒 长大 而 小 颗粒溶解 这 一现 象 由图 得 以 证实 颗粒边 界 发 生 了平 直化 ， 形 状呈 规则 的 四 边 形 或菱形 ， 说 明 颗粒经历 了重 结 晶长大 的过程 图 上元 素 的线扫描 曲线 可 见 ， 颗粒 内部 含量 与基体 中的 含 量 差 异 很 明显 ， 颗 粒与边界 之 间 的成分 过渡层 非 常薄 ， 说 明在快速 冷却过 程 中 ， 颗粒 中的 基本未 向基体 中扩散 ， 这是 保持 硬度 的有利 因素 ， 对材料 的耐磨性及 整体硬度 的提 高是 非常重要 的 观 察 复合材料 的基体组织 ， 发现其 中基本没有 网状或鱼骨状 一次碳 化物 ， 在 颗粒较 为稀 疏 的 区域 只 有 弥散分 布 的点 状 一 次碳 化物 ， 而 在 颗粒 较密集 的 区域 内 ， 一 次碳 化 物 基 本 消失 究 其原 因 ， 一 方 面 ， 颗粒 随多 相 流 进人 沉 积 体时 ， 作 为高动 能粒 子 将 击 碎沉积 体 中的 网状和 鱼 骨 状 一 次碳 化物 ， 从而 使 颗粒 密集 的 区 域 中粗大 的一 次碳 化物 细 化 另 一方 面 ， 颗粒 进人 沉 积 体 时 与金 属 液 滴 或半 凝 固状沉 积 表层 之 间 的温 度差 异 极 大 ， 实质 上成 为 “ 冷却剂 ” 而进 一步提 高了 颗粒周边基体 的冷却速率 ， 使得 奥 氏体 中合金元 素含量 的饱和 固溶度 上 升 ， 从而使一 次碳 化物析 出量 明显减 少 如前所 述 ， 网状 和 鱼 骨状 一次碳 化物 是高速钢合金组织性 能 的不 利 因素 ， 而 雾化沉积高速钢 中加人 颗粒使得 网状和 鱼骨状碳 化物 明显减少 甚 至 消失 ， 而 高 的冷却速 度 使一 次碳 化 物以 点状 析 出 ， 这 无疑 将 非 常有效地 提 高材料 的强 度 ， 使 获 得 良好 的硬 度 和 强 度 配合 成 为 可 能 从 图 中见 到基体晶粒细 小 或 呈 现 大 面积不 完整 晶界 ， 是 提 高材料 强韧性 配合 的有 利 因素 颗粒对复合材料硬度 的影 响 采用硬度 计测 定该材料 的硬度值 并 与常规铸锻 高速钢 比较 ， 如表 所示 由表 可 见 ， 颗粒加 人 后 的雾 化沉积 高速 钢硬 度平 均 值达 到 ， 比常规铸锻 高 速钢高约 度 ， 大 幅度提 高 了材料 的硬度 ， 可见 颗粒加人 对改进材料 的硬度 十分有效 表 喷射成形 强化 与常规 对 比 材料 硬度 沉积 常规铸锻 平均值 ︻ 内‘ 汀了 ‘ 。 了 乙 结论 采 用 超 音 雾化沉积 法 制 备 高速 钢复合材 料是 可 行 的 其 中 ， 负压输 送 外 环加 人 的方 法是 成 功 的 颗粒 与基 体结合 良好 ， 二 者之 间有 很 好 的物理相 容性 材 料 的组 织 特 征 有 利 于 提 高 高 速 钢综 合 性 能 ， 颗 粒 的加 人 成 功 地 提 高 了 材 料 的 硬度 ， 达到 了材料 设计 的预期 目的

·598· 北京科技大学学报 1997年第6期 参考文献 1郭耕三.高速钢及其热处理.北京：机械工业出版社，1985 2 Stiller K,Svensson L E,Howell P R,et al.High Resolution Microanalytic Study of Precipitation in A Powder Metallugical High Speed Steel.Acta Metall,1984,32(9):1475 3 Igharo M,Wood J V.Investigation of M2 High Speed Steel Produced by Osprey Process.Powder Met, 1989,32(2):124 4 Zhang Liying,Tian Haige,Huang zhuo,et al.WC Particle-reinforced High Speed Steel Composite Fabricated by Spray Forming.J of USTB(English),1997,4(3):14 5李华伦，王俊杰，丁国陆，等.喷射共沉积CiC。/A1复合材料的增强颗粒植人.复合材料学报，1995， 12(2):1 6杨留栓，杨根仓，周尧和.喷雾沉积快速凝固技术的发展与展望.材料科学与工程，1994,12(2)：29 7中国金属学会编.合金钢钢种手册合金工具钢、高速工具钢.北京：冶金工业出版社，1990 8管秀云粘结相含量对硬质合金性能的影响：[学位论文].北京：北京科技大学，1995 WC Particle-reinforced High Speed Steel Composites Fabricated by Spray Forming Zhang Liying Tian Haige Huang Zhuo?Wu Cheng 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083 China 2)General Research Institute foe Non-ferrous Metals,Beijing 100088 ABSTRACT The possibility of fabricating the WC particles reinforced M2 high speed-s- teel composites by spray forming was investigated.Microstructures of composites were studied with optical microscope and scanning electron microscope (SEM).In addition,hard- ness of composites was meassured.The composite with good properties was obtained by spray forming process. KEY WORDS spray deposition,particles reinforcement,high speed steel

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 参 考 文 献 郭耕三 高速钢及其热处理 北京 机械工 业 出版社 ， ， ， ， 习 比 掩 曲。 厂 己 叱 。 既 比 ， ， ， 任 ， ， ， ， ， · 一 代 托 山 ， ， 李 华伦 ， 王 俊杰 ， 丁 国 陆 ， 等 喷 射 共 沉 积 。 复合 材 料 的 增 强 颗粒 植 入 复 合 材 料 学报 ， ， 几 杨 留栓 ， 杨根仓 ， 周 尧和 喷雾沉积快速凝 固技术 的发展 与展望 材料科学 与工程 ， ， 中国金属学会编 合金钢钢种手册 合金工具钢 、 高速工具钢 北京 冶金工 业 出版社 ， 管秀云 粘结相含量对硬质合金性能 的影 响 学位论文 北京 北京科技大学 ， 一 助 功 ， 兀 。 物 ， 枷 助 肠 。 ， ， ， 仪 眼 一 ， 飞 代 一 诵 而 嶙 ， 勿 阴 ，