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1、第卷年月第期第页金属学放快速凝固水雾化高速钢粉末的凝固特征掌王东君周瑞沈军哈尔滨工业大学材料科学与工程学院哈尔滨摘要理论计算表明水雾化高速钢粉末的平均冷却速率在之间粉末颗粒的凝固组织主要以等轴晶为主碳化物以空间网络状分布于等轴晶的晶界处粉末基体组织以奥氏体为主。仅小粒径粉末基体由奥氏体与铁素体组成碳化物主要为立方型和密排六方型关键词高速钢粉体快速凝固水雾化铁素体中图法分类号文献标识码文章编号一一乱”一快速凝固技术是材料科学与工程领域目前最活跃的研究方向之一区别于其他凝固方法快速凝固工艺具有细化晶粒、减小偏析、扩大固溶极限等优点【雾化技术是应用最广泛的快速凝固技术之一眇其工艺通常是将熔体分离雾化
2、同时通过对流的方式实现熔体的快速凝固一般情况下采用水作为冷却介质通常可以比气体雾化得到更高的冷却速率高速钢是一种高合金钢目前已经被广泛应用于刀具模具、耐磨材料及构件基体等领域采用雾化法制备高速钢预合金粉末再固结成型可避免传统凝固工艺中碳化物的偏析得到无宏观偏析的组织雾化法制备高速钢粉末过程中不同颗粒尺寸决定的不同冷却速率对高速钢的凝固组织及结构特征有重要影响本文对水雾化高速钢粉末的外观形貌、凝固组织及相结构宰收到初稿日期收到修改稿日期作者简介王东君男年生博士生进行了研究并分析了冷却速率对其凝固特征的影响实验方法水雾化高速钢粉末的化学成分质量分数为由北京钢铁研究总院提供对不同粒径的粉末进行筛分并
3、分别称重采用配备能谱仪的型扫描电镜对粉末的外观形貌、显微结构及碳化物形貌进行观察扫描电镜试样镶嵌抛光后采用硝酸一酒精溶液进行腐蚀粉末碳化物采用磷酸一酒精溶液进行萃取物相分析采用射线衍射方法日本理学测试参数辐射石墨单色器滤波电压电流扫描步长衍射角范围一实验结果及讨论粉末的外观形貌水雾化高速钢粉末的区间粒度分布及累积粒度分布如图所示可以看出高速钢粉末的粒径大于万方数据金属学报第卷囝水雾化高速钢粉末颗粒尺寸分布的粉末数量很少其质量分数不足小粒径颗粒所占比例较大其中以下的小颗粒所占质量分数最大约为以累积质量分数为所对应的粉末尺寸表示粉末的平均颗粒尺寸其值约为弘由于筛分时小粒径粉末容易团聚推测实际曲线应
4、略向下移实际平均晶粒尺寸应小于水雾化高速钢粉末外观形貌如图所示从图可以看出粉末主要由不规则形状颗粒组成大部分粉末呈长条形或棱块形只有少数粉末接近球形许多粉末颗粒之间互相粘连部分颗粒尺寸较大的粉末上还依附有小的卫星颗粒这主要是在雾化过程中不同的颗粒间发生碰撞的结果在粉末颗粒表面还可以清晰地看到存在许多弥散细小的粒状碳化物如图所示另外由于粉末凝固过程中发生的凝固收缩现象粉末颗粒表面多呈现凹凸不平的形貌在雾化阶段中由于冷却介质的剪切力随着雾化距离的增大而减小熔体液滴的表面张力则趋向使不规则的液滴球化粉末最终形状由表面张力及冷却速度两个因素共同决定若液滴的球化时间比凝固时间短则颗粒形状趋向于变成球形如
5、果球化时间长则颗粒趋向于形成不规则形状从本质上说当液滴的表面张力大而冷却速度低时将促使液滴形成球形当表面张力小而冷却速度高时则有利于形成不规则的颗粒形状对于水雾化高速钢粉末其冷速快、凝固时间短所以大部分粉末呈不规则形状只有少数小颗粒接近球形这是因为表面张力作用对小颗粒影响较大使小颗粒更易于球化粉末平均冷却速率的估算取球形水雾化高速钢粉粒为研究对象采用水为冷却介质考虑金属熔体的过热度约为在高速钢粉粒快速凝固的强制对流换热过程中考虑热量的传递以及各种对对流换热过程的影响因素如介质的流速、物理性质等可将高速钢液滴的平均冷速做如下估算【圉高速钢粉末形貌于硼筹式中为“液滴介质”界面上的传热系数?丑为金属
6、熔体的温度墨为液体介质温度为液滴表面积为液滴体积为液滴金属比热容王矗为单位体积金属的熔化潜热疋一正其中正为合金凝固完毕的温度由式可以看出在熔体性质和液滴尺寸一定的情况下平均冷速取决于“液滴介质”界面上的传热系数以球形金属液滴为模型传热系数可由下式估算警、“扩零一芑鐾鏊役侣博似他佃乒一叠毋壹苛石万方数据第期王东君等快速凝固水雾化高速钢粉末的凝固特征式中为介质的热传导系数?为熔体液滴的直径为介质的密度为介质的比热容?为介质的粘度系数?为熔滴与冷却介质之间的相对速度可见随着介质的热传导系数和相对速度的增大以及金属熔滴直径的减小界面上的传热系数将增大平均冷却速率随之提高通过查阅资料各参考值取为五互耳正
7、日?弘一?由此估箅并绘制平均冷速随粉末粒径的变化曲线如图所示高速钢粉末的平均冷速为远高于常规凝固工艺条件所能达到的冷速图高速钢粉末平均冷却速度随粉末颗粒尺寸的变化曲线粉末的凝固组织水雾化高速钢粉末的横截面形貌如图所示从图中可以看出横截面经腐蚀后所有颗粒中都呈现出等轴晶组织特征连续或断续的网络状碳化物分布在基体上随着粉末颗粒尺寸的减小即冷却速度的增大碳化物网络的尺寸略有减小连续状的网络结构呈现出断续的倾向水雾化高速钢粉末的碳化物经萃取后的形貌如图所示将粉末基体腐蚀掉以后剩余碳化物基本保持了空间网络状结构这证明了凝固组织是由空间分布的等轴晶粒所组成而碳化物形成元素在凝固过程中被排斥到等轴晶晶界处形
8、成网络状碳化物水雾化粉末的连续断续网络状组织本质上体现了等轴晶组织特征由于粉末颗粒在表面处同时向各个方向对流传热热流强度在各个方向上近似相等结晶组织首先在表面处形核向中心高速生长由于结晶潜热的释放使得熔体温度回升已凝固枝晶发生部分重熔及熔断而形成新的晶核另一方面结晶前沿液相中的过冷区域和圉高速钢粉末的横截面形貌一弘过冷度迅速增大这也使得在已结晶区域前沿重新形核特别是当由相对两个方向相向推进的成分过冷区重合时便会促使颗粒内部迅速形核由于各向同性的热传导条件每个晶粒的长大在各个方向上也是接近一致的同时极快的冷却速度也使得凝固界面推进速度很快二次枝晶来不及充分发展因此水雾化高速钢粉末中是以等轴晶组织
9、为主由于合金元素在奥氏体中的溶解度小于在铁索体中的溶解度所以在发生铁素体向奥氏体的转变时被排斥到奥氏体等轴晶晶界处形成网络状碳化物在对气雾化不锈钢【及高温合金喷射成形过喷粉末【凝固组织的研究中发现粒径较大的粉万方数据金属学报第卷末其凝固组织呈现多晶核的枝晶组织特征只有较小的颗粒才具有这种网络状的不发达枝晶组织这是因为气雾化比水雾化冷却速度慢尺寸大的颗粒中枝晶可以充分生长尺寸小的颗粒冷却速度快枝晶来不及生长出二次枝晶臂就发生凝固而水雾化过程冷却速度快所以尺寸较大的颗粒也呈现出不发达枝晶组织特征粉末的物相分析粉末谱如图所示相为奥氏体相相为铁素体相或铁素体相由高速钢的伪二元相图【可知在快速凝固过程中
10、高速钢可以形成不同的相一般规律是高温铁索体相首先形成在随后的冷却过程中铁素体相转变为奥氏体奥氏体进一步发生马氏体转变所以形成低温铁素体的可能性?慌懦梢匀衔督洗蟮乃砘咚俑粉末的凝固组织主要为奥氏体相仅在粒径较小的粉末中有少量高温铁素体相存在这与文献的研究结果有所不同在气雾化不锈钢粉末中其凝固组织由奥氏体相与马氏体图高速钢粉末萃取碳化物的形貌囝高速钢粉末图?乒相占铁素体相共同组成粒径大的颗粒中主要是马氏体有少量奥氏体相只有粒径小的颗粒由奥氏体和铁素体共同组成碳化物的谱及能谱分析结果分别如图和图所示由图可以看出不同粒径粉末所对应的冷却速率范围内碳化物类型没有变化根据晶面间距和相对强度种粒度的粉末中碳
11、化物被测定为立方的型和密排六方的型两种另外能谱分析显示碳化物类型均为复合型碳化物随着冷速的增加碳化物中碳的相对含量有所增加这主要是因为冷速越快碳原子向基体奥氏体中的扩散时间越短碳原子由于来不及扩散而只能存在于晶界处的碳化物中一般情况下钢铁材料由奥氏体区以足够快的速率冷却不能发生由扩散控制的相变过程而是出现无扩散的“队列型”转变即马氏体转变气雾化不锈钢粉末中粒径大的颗粒主要是马氏体相正是这个原因而水雾化的冷速比气雾化的快水雾化估算值气雾化估算值为一相同的工艺中粉末粒径越小其冷速越快但是气雾化粒径较小的不锈钢颗粒及水雾化高速钢粉末颗粒的相组成却都是奥氏体和铁素体并没有发生马氏体相变一个原因是对于气
12、雾化粒径较小的颗粒来说马氏体异质形核的可能性很小其本质在于马氏体核胚在合金中不是均匀分布的而是在其中一些不均匀缺陷区域上优先形核合金中有利于形核的位置是那些结构上的不均匀区域如位错等晶体缺陷、由夹杂物造成的内表面等不均匀区域的能量往往较高可以为马氏体的转变提供能量使转变过程更容易进行因此这些“畸变胚芽”可以作为马氏体非均匀形核的核心从而使马氏体在某屿位置上优先形成颗粒越小由于冷却介质将熔体高度分割成小熔滴而使形成的奥氏体相中不均匀缺陷极大地减少从而限制了马氏体的非均质形核使囝高速钢粉末萃取碳化物图参毋万方数据第期王东君等快速凝固水雾化高速钢粉末的凝固特征圈高速钢粉末萃取碳化物能谱有利于马氏体形
13、核的位置极大地减少即马氏体核胚数量减少抑制了马氏体转变的发生另一个重要原因是快速凝固所达到的极高的冷却速率使得高温稳定相液相或高温稳定固相的原子状态被保留至低温从而使高温稳定相成为最终的结晶相当合金的成分一定时以高温稳定固相为例晶格振动的状态方程可以用下式来描述一面一莓扣葡赫斋式中为压力为原子处于格点位置时平衡晶格的能量为晶体体积为常数为品格振动频率为常数为晶体的热力学温度式中当品格体积改变时格波频率也将改变原子处于格点位置时平衡晶格的能量亦可写成也是的函数即晶体温度对晶格原子状态有很大影响对传统的凝固及热处理工艺冷却速率比较慢凝固时间较长在整个凝固过程中可以认为温度的变化是连续的那么晶格原子
14、的状态也随着温度连续变化当温度降至低温时高温稳定相向低温稳定相转变在快速凝固条件下冷速极快一温度以极大的速率变化晶格原子的状态也应以相同的速率作相应的变化温度以极大的速率连续变化的过程近似可以看作一个温度突变的过程这种情况下高温稳定固相内部的原子就可能被“冻结”在高温稳定固相时所处位置附近并将原子状态保留下来而不会向低温稳定相原子所处位置扩散或切变从而把这种热力学上的亚稳态保存下来不发生低温相变使高温稳定相成为最终结晶相对于高速钢铁素体和奥氏体均为高温稳定相而马氏体、珠光体等为低温稳定相当冷却速率很低时奥氏体相将发生扩散型的珠光体转变最终结晶相为珠光体相冷却速率增大到临界马氏体转变速度口。时原
15、子扩散受到抑制奥氏体将发生切变型的马氏体相变最终结晶相主要为马氏体相当冷却速率进一步增大至快速冷却范围时由于形核困难及高温原子状态被“冻结”等原因高温稳定的奥氏体及铁索体相将成为最终结晶相综上从理论上预测任何一种成分的合金发生结晶时随着冷却速率的增大都会出现原子扩散受到抑制、高温稳定固相原子状态被“冻结”甚至液相熔体内部原子被“冻结”而成为非晶态合金的可能至于原子扩散受到抑制和高温原子稳定状态被“冻结”所需要的临界冷却速率则由原子的状态和不同原子之间的相互作用合金成分元素含量原子间半径电负性及键能等差别等因素所共同决定结论对水雾化高速钢粉末的平均冷却速率进行了估算其冷却速率在之间高速钢粉末的外观形貌大部分呈长条形或棱块形只有少数粉末接近球形凝固组织呈现等轴晶及不发达枝晶组织特征水雾化高速钢粉末的基体组织以奥氏体为主只有粒径较小的粉末中存在少量铁素体相这主要是因为小颗粒中马氏体形核困难以及极高的冷速使高温原子状态被保留至低温水雾化高速钢粉末的碳化物主要为立方的型和密排六方的型两种碳化物以空间网络参兽万方数据金属学报第卷状分布于等轴晶粒之间随着冷速的增加碳化物中碳的相对含量有所增加参考文献【】【】【】李正邦中国钨业【】郭庚辰粉末冶金技术【】.
