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高速钢的生产目前大多采用常规铸造或电渣重熔的方法,再经过大变形量锻造或轧制以及复杂的热处理来改善钢中碳化物的尺寸与分布。但常规铸造或电渣重熔的冷却速度较慢,易导致偏析和碳化物粗大等问题,难以生产高品质高合金高速钢。ASP30高速钢是一种钴合金化粉末冶金高速钢,高达8.5%的含钴量对红硬性、硬度、抗回火性以及弹性模量有着显著的影响,因其综合性能优良,目前广泛应用于高端工具和模具。该产品目前只能采用粉末冶金工艺生产。本文选用瑞典UDDEHOLM公司生产的粉末冶金ASP30高速钢作为对比材料,采用宝钢100Kg喷射成形设备制备与ASP30同成分高速钢,简称喷射成形A30高速钢(SF A30)。在此基础上分析了喷射成形A30高速钢的微观组织及形成特点,揭示其细化机理,同时对存在的缺陷及相关原因进行分析研究。通过热模拟和热加工改善喷射成形A30高速钢的组织,得到优化的控制参数,并对其热处理后的性能进行研究,通过与ASP30高速钢的组织和性能进行对比,喷射成形工艺相对于粉末冶金工艺简单、流程短、成本低,证明了利用喷射成形制备高合金高速钢的可行性。喷射成形A30高速钢为晶粒细小、晶粒在8-20μm左右分布均匀的等轴晶组织;其微观组织由马氏体、残余奥氏体以及MC、M2C及M6C型碳化物组成。碳化物主要有两种形态:一种是尺寸在2μm左右的细小碳化物颗粒多沿晶界分布,另一种是呈针条状分布在晶界处,因锭坯尺寸比较大,后续冷却速度较慢,在基体中存在网状碳化物。喷射成形工艺所具有的快速凝固特点是喷射成形A30高速钢组织细化的关键因素;此外在雾化沉积过程中先凝固颗粒的形核作用以及凝固过程中先析出的MC碳化物限制了枝晶的生长,从而细化晶粒。但在喷射成形A30高速钢锭坯中存在少量缺陷,主要是因为雾化气体溶入沉积坯形成的气孔以及固态颗粒引起的填充间隙以及锭坯冷却过程引起的热裂。喷射成形A30高速钢在450℃时比铸态高速钢多一个放热峰,说明喷射成形工艺具有较高的冷却速度,固溶了较多合金元素,当加热到450℃时,合金元素获得足够能量并从基体析出。加热到650-700℃之间时残余奥氏体开始分解,加热到850℃铁素体向奥氏体转变反应达到最剧烈的阶段,而在1150℃附近对应于碳化物向奥氏体中的回溶。热压缩模拟实验表明喷射成形A30高速钢在950-1100℃温度范围内的真应力-应变曲线均为典型的再结晶曲线。当变形温度一定,变形速率越高,流变应力越大;变形速率一定,流变应力随着变形温度的升高而降低。热拉伸实验也进一步证实喷射成形A30高速钢在1000-1100℃具有良好的塑性。热压缩可以有效消除网状碳化物,细化晶粒,改善碳化物的形状和分布。热变形温度和变形量是决定喷射成形A30高速钢变形及球化退火后碳化物形貌、尺寸、分布的关键因素。喷射成形A30高速钢的最佳轧制温度区间为1000-1100℃。喷射成形A30高速钢的锻造及退火工艺组合参数为:在1120-1150℃温度范围内加热,始锻温度为1120℃,终锻温度为950℃,然后在880℃球化退火处理。当锻造比达到8以上时所得到的喷射成形A30高速钢的碳化物细小均匀,与ASP30高速钢相当。喷射成形A30高速钢在1100-1180℃的淬火区间内,530-580℃的回火温度区间内,喷射成形A30高速钢的硬度随着淬火温度的升高而增加,随着回火温度的升高而降低。其冲击韧性在560℃回火时最佳,说明在560℃左右回火,既可以保证硬度又可以保证韧性。同时喷射成形A30高速钢具有良好的抗回火性,尤其是在510℃回火12 h,在马氏体基体上析出大量细小弥散分布的二次碳化物,导致硬度增加。经相同热处理后的喷射成形A30高速钢的韧性低于ASP30高速钢,主要是与喷射成形A30的锻造工艺、碳化物形状、尺寸、分布以及氧氮等有关。经过加大锻造比及氧含量的控制,在喷射成形A30高速钢硬度稍高于ASP30高速钢的情况下,喷射成形A30高速钢的抗弯强度与ASP30高速钢相当,说明喷射成形A30高速钢经过严格控制可达到与ASP30高速钢相当的水平。经相同淬回火工艺处理的喷射成形A30高速钢与ASP30高速钢试样在滑动摩擦磨损过程中的主要磨损机制为磨粒磨损。在磨损过程中,基体中的高硬度碳化物有效抵御磨损,但喷射成形A30高速钢表面出现碳化物脱落现象。喷射成形A30高速钢内合理的碳化物尺寸以及分布有效提高了材料的耐磨性,在相同条件下喷射成形A30高速钢的耐磨性比ASP30高速钢提高了50%左右。喷射成形A30高速钢制备的铣刀在不同深冷热处理工艺并进行性能测试,结果表明喷射成形A30高速钢在一次回火后进行深冷处理得到的材料硬度最高,较其他工艺得到的材料硬度提高约1 HRC左右。并且一次回火后深冷处理对刀具的寿命提高最为显著,可提高35.88%。组织内碳化物形状与分布对铣刀的寿命有重要的影响,再加上深冷处理时残余奥氏体的转变以及从马氏体中弥散析出的大量的微细碳化物产生弥散强化,提高了材料的机械性能。