·330· 工程科学学报，第37卷，第3期 高速钢是一类含合金元素达20%的高合金莱氏 抗切削过程中刀刃的摩擦磨损，其中尤以硬度和热稳 体钢，具有高的硬度和耐磨性，同时具备较好的韧性， 定性较高的MC碳化物作用明显.N相对于V,与碳 广泛应用于具有复杂形状的切削加工刀具中.传统铸 具有更强的亲和力，更容易取代V形成MC型碳化物， 造生产由于冷却速度的限制，导致宏观偏析严重，枝晶 从而使得更多V溶入基体，以获得良好的二次硬化效 间易于形成粗大的莱氏体共晶组织，经后续的热锻或 果.前期研究表明，适量的铌替代钒，能提高M3型高 热轧都难以去除，严重影响其性能”.粉末治金工艺 速钢的回火稳定性和耐磨性叨.但是，随着N含量 能较好地克服这一缺点，其组织细化且均匀，但其工艺 的升高，NbC过于粗大，影响材料的最终性能.本 复杂，工序繁琐，极大提高了成本习.喷射成形技术 文采用0.5%Nb(质量分数)代替M3型高速钢中部 具有快速凝固特点，有效地将雾化与沉积结合起来，雾 分V,结合喷射成形工艺改善碳化物形态，提高材料的 化过程中的高冷速作用使得组织得到极大细化，而其 强韧性与耐磨性. 特有的沉积过程使得半固态颗粒中已形成的枝晶碎断 和重熔，最终演变成等轴晶习，提高了组织均匀性， 1 实验方法 可以获得与粉末治金相当的细化组织，且其工序简单 考虑到M2为应用最为广泛的高速钢，且与M3钢 和成本低，在制备高合金材料方面具有较大潜 成分接近，本实验将M2高速钢作为母合金进行熔炼， 力6四.国际上对喷射成形技术的研究十分重视，欧 用以制造M3型高速钢.不含Nb和含Nb的M3(记为 洲、美国、韩国等均开展了大量研发工作，取得了关键 MN)型高速钢化学成分见表1.大气环境下采用中频 技术的突破.芬兰VTT技术研究中心和美国爱荷华国 炉感应加热重熔，加入适量的C、W、Mo、Cr、钒铁 家实验室的精密喷射成形模具钢制品技术可以显著减 (50%,质量分数)和铌铁(65%，质量分数)，融清后保 少沉积坯中的疏松，使喷射成形的模具可以不经致密 温l0min.钢液经除渣后浇注到预热中间包，浇注温度 化处理（热等静压、热锻等）直接使用0.s-0.扫描式为1520~1530℃.采用主副二级环孔式非限制型喷 双喷嘴的应用，更极大地提高了喷射成形材料的应用. 嘴，高压N2雾化，雾化压力0.4~0.45MP,沉积距离 丹麦Dan spray公司能生产直径500mm,长2.5m,重大 为400~450mm,过冷液滴雾化后沉积在旋转接收基 约4t的D2工具钢沉积坯，经后续热锻和热处理，组 板上形成柱状沉积锭坯 织均匀，性能优异四.德国不莱梅大学通过扫描式双 从沉积坯相同部位分别切取尺寸10m×10mm×10 喷嘴雾化两种不同的工具钢钢液，雾化叠加区域产生 mm试样用于组织观察.从中心部分切取d40mm圆柱 平滑梯度层，成功制备出了梯度工具钢材料. 试样用于热锻，1170℃保温30min,采用750kg空气 高速钢主要由大量的块状一次MC和M,C碳化 锤，开锻温度1150℃，终锻温度不低于950℃，将沉积 物以及回火马氏体组成，一次碳化物的主要作用是抵 坯锻造成直径为16mm的棒材，锻后立即回炉退火， 表1实验材料的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steels 合金 W Mo Cr b Mn Fe M2 0.87 6.28 5.07 4.05 1.84 0.32 0.23 0.0013 余量 M3 1.29 6.37 5.11 4.12 2.97 0.30 0.27 0.0025 余量 MN 1.32 6.31 5.08 4.03 2.69 0.52 0.27 0.20 0.0036 余量 试样经机械研磨和抛光，侵蚀后（侵蚀剂为8% 沉积态和锻态碳化物经电解萃取后采用X射线 硝酸乙醇溶液)，采用金相显微镜和ZEISS SUPRA55 衍射分析其相组成，电解液为15g柠檬酸钠、1.2g溴 型场发射扫描电子显微镜，PHILIPS APD一10型X射 化钾、30g柠檬酸和100mL蒸馏水，电压为3V,温度0 线衍射仪(Cu靶K辐射，工作电压40kV,步长 ℃，电解时间为8h 0.02°，扫描速度6°·min)观察其组织形貌和分析 退火态试样在1180℃下保温10min后油淬，立即 相组成 在560℃下回火三次，试样经机械研磨抛光后进行摩 通过差示扫描量热法(DSC)实验研究沉积态合金 擦磨损试验，采用点接触往复式摩擦，摩擦副选用氮化 凝固过程中发生的反应，实验在STA一449C实验设备 硅球，行程1mm,频率50Hz,载荷分别选择100、200、 上完成，抽真空净化后，通氩气并在氩气（流量为25 300和400N.摩擦温度为25、300和500℃.用三维白 mL·min)的保护气氛下进行高温实验，样品质量约 光干涉表面形貌仪测算磨损体积，并对磨损表面的形 50mg,降温速率为20℃minl 貌及成分进行分析.工程科学学报，第 37 卷，第 3 期 高速钢是一类含合金元素达 20% 的高合金莱氏 体钢，具有高的硬度和耐磨性，同时具备较好的韧性， 广泛应用于具有复杂形状的切削加工刀具中． 传统铸 造生产由于冷却速度的限制，导致宏观偏析严重，枝晶 间易于形成粗大的莱氏体共晶组织，经后续的热锻或 热轧都难以去除，严重影响其性能［1］． 粉末冶金工艺 能较好地克服这一缺点，其组织细化且均匀，但其工艺 复杂，工序繁琐，极大提高了成本［2 － 3］． 喷射成形技术 具有快速凝固特点，有效地将雾化与沉积结合起来，雾 化过程中的高冷速作用使得组织得到极大细化，而其 特有的沉积过程使得半固态颗粒中已形成的枝晶碎断 和重熔，最终演变成等轴晶［4 － 5］，提高了组织均匀性， 可以获得与粉末冶金相当的细化组织，且其工序简单 和 成 本 低，在制备高合金材料方面具有较大潜 力［6 － 12］． 国际上对喷射成形技术的研究十分重视，欧 洲、美国、韩国等均开展了大量研发工作，取得了关键 技术的突破． 芬兰 VTT 技术研究中心和美国爱荷华国 家实验室的精密喷射成形模具钢制品技术可以显著减 少沉积坯中的疏松，使喷射成形的模具可以不经致密 化处理( 热等静压、热锻等) 直接使用［10，13 － 14］． 扫描式 双喷嘴的应用，更极大地提高了喷射成形材料的应用． 丹麦 Dan spray 公司能生产直径500 mm，长2. 5 m，重大 约 4 t 的 D2 工具钢沉积坯，经后续热锻和热处理，组 织均匀，性能优异［15］． 德国不莱梅大学通过扫描式双 喷嘴雾化两种不同的工具钢钢液，雾化叠加区域产生 平滑梯度层，成功制备出了梯度工具钢材料［16］． 高速钢主要由大量的块状一次 MC 和 M6 C 碳化 物以及回火马氏体组成，一次碳化物的主要作用是抵 抗切削过程中刀刃的摩擦磨损，其中尤以硬度和热稳 定性较高的 MC 碳化物作用明显． Nb 相对于 V，与碳 具有更强的亲和力，更容易取代 V 形成 MC 型碳化物， 从而使得更多 V 溶入基体，以获得良好的二次硬化效 果． 前期研究表明，适量的铌替代钒，能提高 M3 型高 速钢的回火稳定性和耐磨性［17］． 但是，随着 Nb 含量 的升高，NbC 过于粗大［18］，影响材料的最终性能． 本 文采用 0. 5% Nb ( 质量分数) 代替 M3 型高速钢中部 分 V，结合喷射成形工艺改善碳化物形态，提高材料的 强韧性与耐磨性． 1 实验方法 考虑到 M2 为应用最为广泛的高速钢，且与 M3 钢 成分接近，本实验将 M2 高速钢作为母合金进行熔炼， 用以制造 M3 型高速钢． 不含 Nb 和含 Nb 的 M3 ( 记为 MN) 型高速钢化学成分见表 1． 大气环境下采用中频 炉感 应 加 热 重 熔，加 入 适 量 的 C、W、Mo、Cr、钒 铁 ( 50% ，质量分数) 和铌铁( 65% ，质量分数) ，融清后保 温10 min． 钢液经除渣后浇注到预热中间包，浇注温度 为 1520 ～ 1530 ℃ ． 采用主副二级环孔式非限制型喷 嘴，高压 N2雾化，雾化压力 0. 4 ～ 0. 45 MPa，沉积距离 为 400 ～ 450 mm，过冷液滴雾化后沉积在旋转接收基 板上形成柱状沉积锭坯． 从沉积坯相同部位分别切取尺寸10 mm × 10 mm × 10 mm 试样用于组织观察． 从中心部分切取 40 mm 圆柱 试样用于热锻，1170 ℃ 保温 30 min，采用 750 kg 空气 锤，开锻温度 1150 ℃，终锻温度不低于 950 ℃，将沉积 坯锻造成直径为 16 mm 的棒材，锻后立即回炉退火． 表 1 实验材料的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of experimental steels % 合金 C W Mo Cr V Nb Si Mn N Fe M2 0. 87 6. 28 5. 07 4. 05 1. 84 ― 0. 32 0. 23 0. 0013 余量 M3 1. 29 6. 37 5. 11 4. 12 2. 97 ― 0. 30 0. 27 0. 0025 余量 MN 1. 32 6. 31 5. 08 4. 03 2. 69 0. 52 0. 27 0. 20 0. 0036 余量 试样经机械研磨和抛光，侵蚀后( 侵蚀剂为 8% 硝酸乙醇溶液) ，采用金相显微镜和 ZEISS SUPＲA55 型场发射扫描电子显微镜，PHILIPS APD--10 型 X 射 线衍 射 仪 ( Cu 靶 Kα 辐 射，工 作 电 压 40 kV，步 长 0. 02°，扫描速度 6°·min － 1 ) 观察其组织形貌和分析 相组成． 通过差示扫描量热法( DSC) 实验研究沉积态合金 凝固过程中发生的反应，实验在 STA--449C 实验设备 上完成，抽真空净化后，通氩气并在氩气( 流量为 25 mL·min － 1 ) 的保护气氛下进行高温实验，样品质量约 50 mg，降温速率为 20 ℃·min － 1 ． 沉积态和锻态碳化物经电解萃取后采用 X 射线 衍射分析其相组成，电解液为 15 g 柠檬酸钠、1. 2 g 溴 化钾、30 g 柠檬酸和 100 mL 蒸馏水，电压为 3 V，温度 0 ℃，电解时间为 8 h． 退火态试样在 1180 ℃下保温 10 min 后油淬，立即 在 560 ℃下回火三次，试样经机械研磨抛光后进行摩 擦磨损试验，采用点接触往复式摩擦，摩擦副选用氮化 硅球，行程 1 mm，频率 50 Hz，载荷分别选择 100、200、 300 和 400 N． 摩擦温度为 25、300 和 500 ℃ ． 用三维白 光干涉表面形貌仪测算磨损体积，并对磨损表面的形 貌及成分进行分析． · 033 ·