【摘 要】
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M2和420是目前应用最为广泛的高速钢和不锈钢,具有高的硬度、强度和耐磨性,应用于刀具、工具、机械零件、医疗器械等。这些钢在固相烧结阶段烧结速率慢,密度低,而进入液相区域以后烧结速率明显提升,但是晶粒长大速度过快,导致试样晶粒粗大,性能低下。因此最佳的烧结区间是奥氏体+液相+碳化物共存的相区,但这一区域极其狭窄,研究发现仅2-4度。本文针对M2和420烧结困难,烧结窗口狭窄问题,通过添加不同的C和
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M2和420是目前应用最为广泛的高速钢和不锈钢,具有高的硬度、强度和耐磨性,应用于刀具、工具、机械零件、医疗器械等。这些钢在固相烧结阶段烧结速率慢,密度低,而进入液相区域以后烧结速率明显提升,但是晶粒长大速度过快,导致试样晶粒粗大,性能低下。因此最佳的烧结区间是奥氏体+液相+碳化物共存的相区,但这一区域极其狭窄,研究发现仅2-4度。本文针对M2和420烧结困难,烧结窗口狭窄问题,通过添加不同的C和Nb元素研究烧结机理、找出理想的烧结工艺参数,达到较高的致密化以及优异的力学性能。系统研究C、Nb元素对碳化物类型、晶粒大小以及烧结窗口的影响。在M2高速钢烧结实验中,结果表明,随着C的增加,固相线温度下降,烧结窗口扩大10～40℃。碳化物类型由白色小块状M6C和灰白色球状MC转变大块M6C和薄膜状MC,最后转变成网状的共晶M6C、鱼骨状的共晶MC以及羽毛状共晶M2C。1240℃时M2+0.22%C的试样出现硬度最高值为699.3Hv,拉伸强度可达1069.4 MPa。Nb提高了固相线温度,在1280℃～1300℃达到烧结致密化。碳化物类型由白色小块状M6C和灰白色球状MC转变网状的共晶M6C,并产生菊花状共晶M7C3新型碳化物。1280℃时M2+2%Nb的试样硬度最高可达570.2Hv,拉伸强度894.8MPa。综合致密化、组织和性能分析,M2高速钢最佳烧结温度成分区间:C含量0.22%～0.42%,烧结温度在1200℃～1240℃。Nb含量1%～2%,烧结温度在1260℃～1280℃。在420不锈钢烧结实验中,结果表明,420+0.2%C试样随着烧结温度升高相对密度显著增高,C降低固相线温度,发生液相烧结,最终相对密度达到98.5%。420+Nb和420+Nb C试样也可以达到98%以上,优于无添加的420,这是由于Nb C对晶界有一定钉扎作用,阻碍了晶界运动,有足够的时间可以通过晶界扩散消除孔隙,从而获得更好的致密化。420+0.2%C试样发生明显的晶界-孔隙分离行为,晶内孔隙变成明显球化的闭孔,无法继续钉扎晶界,导致晶粒尺寸剧增,1410℃时晶粒尺寸大小约为315μm。420+Nb和420+Nb C的试样,从SEM分析可知生成的Nb C钉扎在晶界以及分布在晶内,呈现针状、连续颗粒状以及圆环状。420+0.2%C拉伸强度最高可达990.6 Mpa,延伸率低;420+Nb和420+Nb C都展现出延伸率,但拉伸强度基本在400～500 MPa,其中420+1%Nb C试样产生一部分铁素体,断口有大量的韧窝,具有超高塑性,延展性可达39.1%。420不锈钢最佳的烧结温度为1390℃,最佳的烧结成分为420+0.2%C和420+1%Nb C。
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