喷射成形技术在高合金工模具钢中的应用

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1、喷射成形技术在高合金工模具钢中的应用 史海生“颜飞3 樊俊飞1 乐海荣1 金冰忠1 彭勇 ( 1 _ 宝钢股份研究院，上海2 0 1 9 0 0 ；2 上海市虹口区老科技工作者协会 3 上海交通大学国家教育部高温材料与测试重点实验室。上海2 0 0 0 3 0 ) 摘要：采用喷射成形技术制备了几种吴有代表性的高合奎工模鼻钢，井时不同生产工艺条件下菝得的同成分铜 井酌组织牵球化逗史硬度作了比较。童苦采显示，喷射或形高夸金工攫具橱车仅组织优良，而且也有与粉末冶金工 模具钢相似的球化退戈硬度，连兢满足了后续淬回戈熟处理所需要的组织和硬度要求，从而 材料的实际应用创 造了条件。本文工作表明，刹甩啧射成

2、形技术制备高舍童工模具铜，特剐是目前仍然依柏进口的高档粉末冶金工 模具钢，既能有蛀地解决成分偏析、组织不均匀性、网状碳化物等同题，又能明显简化生产工艺步_ 醵、降低生产成本 和能源消耗等，目而具有显著优势和市场竞争力。 美键词：喷射成形，工模具钢 组织l 硬度 1 引言 随着经济和社会的快速发展，对高档工模具钢材料的需求日益增多，由此对材料的生产制造工艺亦提出 更为苛刻的要求。对于高合金工模具钢材料，采用传统的熔铸工艺生产。会带来诸多难以克服的问题，因其 冷却速度太慢而导致合金成分偏析、碳化物粗大和不均匀分布以及共晶莱氏体的出现，这些缺陷须要经过后 续多次变向热锻、多步骤热轧变形加工和合理的热

3、处理，方能使材料的组织和性能得到改善。事实上，采用 此种方式生产高端工模具钢是不经济和不可取的。目前，通常采用粉末冶金工艺来取而代之以实现这一传 统熔铸工艺无法胜任的生产任务。瑞典U d d e h o l m 公司V a n a d i s 4 ( 简称V 4 ) 钢以及C r u c i b l e 公司C P M M 4 钢则是其中两个典型的粉末冶金工模具钢种。v 4 钢具有高强、高韧、高耐磨的特点，比县前以D 2 为代表的 通用冷作模具钢具有更优的综合性能；而C P M M 4 钢不仅可以作为优良的冷作模具钢使用而且又能充当 高强、高硬、高耐磨的工具钢的角色。尽管粉末冶金工艺已能成功地

4、生产高质量的工模具钢，但实施这一工 艺所带来的生产步骤繁琐、生产成本和能源消耗增加等问题却无法避免，这就促使人们去思考和寻求更合理 更有效的生产工艺。越来越受到人们关注和青睬的喷射成形技术，由于兼有半固态和近终形加工技术特点， 所制备的材料具有显著的快速凝固组织特征，因此将这一技术应用于粉末冶金工模具钢不仅可行和有效， 而且其潜在的市场竞争力显而易见。宝钢介入喷射成形工艺技术研究及其材料开发已有多年，取得了不少 进展。本文简要介绍了宝钢在喷射成形技术应用于高合金工模具钢研制方面的部分工作。 2 实验材料与方法 选用的试验材料有三种：国内开发的高合金L D 冷作模具钢，国外用粉末冶金工艺生产的V

5、 4 钢和 C P M M 4 钢。这三种作为喷射成形用母合金的名义成分如表1 所示。有关传统熔铸工艺L D 钢的研究工作 已有不少文献报道，其综合性能明显优于C r l 2 M o V 钢”1 1 。而关于粉末冶金V 4 钢和C P M M 钢的研究，能 查到的文献资料极少。 下表所列三种喷射成形高合金工模具钢材料，均在宝钢喷射成形装置上制取，其工艺过程简述如下：将 4 0 5 母合金料放人感应炉内加热使之熔化，在高于熔点某个温度区域下保持一段时间，使熔体的温度和成分达 到均匀，然后通过导液管流出的熔体液柱在高压氮气的喷射、快速冷却作用下，被雾化成细小液滴颗粒，沉积 在位于雾化舱底部的接受基

6、板上，迅速凝固而形成块体坯料。 表1 试验用离台金工模具钢名义成分 喷射成形坯料先被热锻( 或热轧) 变形加工，然后放人砂坑里进行缓冷，之后再进行球化热处理。以期获 得可供后续淬回火处理的球化组织。使用金相显微镜和透射电镜( T E M ) 对母合金棒料、喷射态坯料、热锻 或热轧后经球化退火处理样品，以及市场购买的L D 、粉末冶金V 4 钢和C P M M 4 钢棒料的组织进行了观察 分析，并测试了粉末冶金V 4 钢和C P M M 钢以及喷射成形V 4 钢和C P M M 4 钢经球化热处理后试样的硬度。 3 实验结果与分析 采用喷射成形技术制取的L D 钢的喷射态组织如图1 所示，可以看

7、到，喷射成形工艺非常有效地解决了 传统熔铸工艺生产高合金冷作模具钢普遍存在的成分偏析和碳化物不均匀分布问题，能够获得细小均匀的 等轴晶组织，这种优良组织给后续热加工提供了有利条件，因而，无须多步骤大变形量的锻造或热轧加工，而 只需简单的致密化热变形加工即可进入后续冷变形或热处理。 围1 喷射成形L D 冷作模具钢的喷射态组织 然而，采用常规熔铸工艺生产c r l 2 M o V ( 或D 2 ) 这样的通用高合金冷作模具钢，在凝固过程中难免合金 元素偏析和碳化物聚集问题，其铸态组织通常为莱氏体+ 粗大的鱼骨状碳化物，这将会使变形阻力和脆性增 大，从而导致材料的热甥性降低而使加工性能恶化。针对上

8、述问题，国内开发的L D 钢在成分设计上作了合 理调整，并通过后续加工和处理工艺的改进，其综合性能优于D 2 钢。但是，L D 钢在生产过程中，其锭坯同 样需要经历多次锻打或多步骤的热轧变形，方可达到减少偏析和改善组织之目的。相比之下，应用喷射成形 技术制备L D 钢比传统的熔铸工艺更有优势。 V 4 钢的碳含量明显高于L D 钢，其它合金元素，如V 的含量也有大幅增加，因此，若再采用传统熔铸工 艺生产，会给后续热加工带来诸多麻烦，最终很难得到理想的组织和使用性能。因此，V 4 钢通常采用粉末冶 金工艺生产，目前市场上出售的粉末冶金v 4 钢，以瑞典U d d e h o | m 公司生产的为

9、最好。 图2 所示传统熔铸和喷射成形两种工艺制备的V 4 钢的组织。图2 a 显示的传统熔铸工艺V 4 钢铸态组 织，与文献“”1 中看到的C r l 2 M o V 钢的铸态组织颇相似，不仅存在鱼骨状共晶莱氏体组织，还有相当多位 于晶界的网状碳化物，晶内主要由马氏体和残余奥氏体组成。由图2 b 可见，喷射成形v 4 钢的组织具有典 型的等轴晶特征，品粒比图l 中看到的喷射成形L D 钢更细小，碳化物分布非常均匀，未见网状碳化物和共 晶莱氏体组织。由此可见，喷射成形工艺在制备高合金工模具钢方面显示出独特的优势，通常在传统熔铸工 艺高合金工模具钢中看到的成分偏析和共晶莱氏体组织等缺陷得到了很好抑

10、制。本文的试验工作表明，喷 4 0 6 围2V 4 钢的铸奄组织比较( a ) 冶金铸造( b ) 喷射成形 射成形高合金工模具钢具有良好的高温成型性，可以承受大变形量的热加工而不开裂。 C P M M 4 钢由于兼有工具钢和模具钢的双重身份，其应用范围正在不断扩大。目前这种钢通常用粉末 冶金工艺生产，其生产步骤复杂，要经历雾化制粉、合金粉末筛选、包套并抽真空和密封过程，然后，在相等于 锻造温度条件下进行热等静压( H I P ) ，使其成为完全致密、组织均匀、晶粒细小的粉末锭坯。经过H I P 压制 成型的锭坯，与传统锭坯一样可以采用锻造或轧制等通用手段进行后续加工。但采用喷射成形工艺制备的

11、 高台金C P M M 4 钢，不仅生产步骤得到简化，而且同样可以获得类似于粉末冶金工艺所能达到的效果。 图3C P M M 4 钢铸态组织比较( a ) 冶金铸造，( b ) 喷射成形 图3 显示两种工艺C P M M 4 钢铸态组织。图3 a 为传统熔铸工艺获得的组织，碳化物颗粒比较粗大且呈 不均匀分布，共晶莱氏体组织特征显现；而从图3 b 看到，喷射成形工艺制备的C P M M 4 钢，组织非常均匀 呈等轴状的晶粒十分细小，未见共晶莱氏体偏析组织。从两种工艺C P M M 4 钢的组织对比可见，利用喷射 成形技术制备高合金工模具钢的优势又得以充分显示。 图4 所示两种工艺L D 钢经热加

12、工、球化退火后组织照片。图4 a 为市场购买的L D 钢棒料试样的显微 4 0 7 组织，而图4 b 则是喷射成形L D 钢经热锻砂冷再进行球亿退火后的显微组织，将这两张组织照片作一比较 可以看到，后者的组织更接近于淬回火处理所需的均匀球化组织。这一退火后的组织差异与采用不同的制 备工艺所得到的原始组织之间的差别有很大关系。喷射成形工艺相比传统的熔铸工艺，能获得更均匀的铸 态组织，这就为随后顺利地进行退火处理从而得到优良的球化组织奠定了基础。 通常高合金工模具钢的球化退火处理，是为后续的淬回火处理做好组织准备，球化组织的好坏对随后 的淬回火处理将产生一定的影响。因此，获得理想的球化组织自然成了

13、材料最终拥有优良性能的关键因素。 图5 显示喷射成形和粉末冶金V 4 钢的球化组织。图5 a 为喷射成形V 4 钢经过热轧和等温球化退火处理后 的组织，晶粒比较细小，近似于球形的碳化物颗粒均匀地分布于基体上，这是典型的球化退火组织。而图5 b 则是作为对比的粉末冶金V 4 钢的组织，其组织特征与图4 a 中显示的非常相似。 图5 两种工艺v 4 钢球化组织比较( a ) 喷射成形( b 】粉末冶盒 为了比较两种工艺v 4 钢球化组织的细微差别，进行了透射电镜观察，图6 便是拍摄的两张作为对比用 的T E M 照片。将图6 a 与图6 b 相比较，可以清楚地看到，两种工艺获得的组织十分相似，铁素

14、体晶粒非常 细小，约在2 - - 4 p m 范围，而细小的碳化物颗粒分布也很均匀；然而，可以发现，喷射成形V 4 钢中碳化物颗 粒尺寸更细小，分布似乎也更均匀。 圈6 两种工艺V 4 钢球化组织比较( T E M 像) ( aJ 喷射成形( b ) 粉末冶金 图7 给出喷射成形和粉末冶金C P M M 4 钢的球化组织照片。由图7 a 看到，喷射成形C P M M 4 钢经过热 轧和等温球化退火处理后，所获得的组织球化特征非常明显，其组织形貌与图7 b 显示的粉末冶金C P M M 4 钢十分相似。由此表明，喷射成形是一种很有前景的生产高合金工模具钢的有用技术可以生产类似于市场 供货的优质粉

15、末冶金高台金C P M M 4 钢。 表2 和表3 分别给出喷射成形与进口粉末冶金V 4 钢和C P M M 4 钢的硬度值比较。由表看到，喷射成 形V 4 钢和C P M M 4 钢经过后续热轧和等温球化热处理，可以获得与进口的粉末冶金同成分钢相近的硬度 测试值。 针对目前高合金工模具钢生产中因采用粉末冶金工艺而导致生产工序复杂、成本高、能耗大等问题，本 文工作则提供了条生产高台金工模具钢的有效途径，即将喷射成形技术、传统的热锻( 或热轧) 工艺以及普 4 0 8 围7 两种工艺C P M M 4 钢球化组织比较( aJ 喷射成形，( b ) 粉末冶金 通的球化退火热处理相结合，可以非常有效

16、地生产具有优良组织和性能的高合金工模具钢。 寰2 喷射成形与进口粉末冶金v 4 钢的磋度比较 4 结语 本文采用具有快速凝固特点的喷射成形技术制取了L D 钢、V 4 钢和C P M M 4 钢，这几种高台金工模具 钢经过锻造( 或热轧) 和球化退火热处理，即可获得均匀细化的球化( 或近似球化) 组织，这种优良组织非常有 利于后续淬回火处理。主要结果概述如下： ( 1 ) 喷射成形L D 冷作模具钢的铸态组织，呈现等轴品特征，晶粒细小，碳化物分布均匀，这种优良组织 是传统熔铸工艺难以得到的。 ( 2 ) 喷射成形V 4 和C P M M 4 工模具钢，经过后续热变形加工和球化退火热处理，可以获得与进1 ：3 的粉 末惰金同成分钢种相似的球化组织，而且其硬度测试值也与它很相近。 ( 3 ) 从简化工艺、降低生产成本和能耗以及实际获得的效果上看，采用喷射成形技术制备高合金工模具 钢，特别是像V 4 和C P M M 4 这类目前只能用粉末冶金工艺生产的高合金工模具钢，不仅切实可行，而且具 有显著优势和市场竞争力。 参考文献 E 1 徐寒冰，简小刚。