工模具材料的短时热压制备技术研究

作     者：叶勇强 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林耀军

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：WC-8Co硬质合金 工模具钢 液相烧结 短时热压 力学性能 

摘      要：WC-Co硬质合金中WC晶粒尺寸的减小可同时提高硬度和韧性,然而液相烧结过程中数小时的保温时间导致WC晶粒过度长大;用较低吨位的压制设备热压工模具钢预合金粉末制备较大尺寸的工模具钢材料时,为了获得必需的低变形抗力,热压温度通常选择固相线温度附近的高温,导致碳化物强烈的长大趋势。为了避免WCCo硬质合金液相烧结时WC晶粒的过度长大,以及工模具钢预合金粉末在固相线温度附近高温热压时碳化物的过度长大,本文首先发展了一种粉末固结新技术—短时热压:在半固态或粉末固相线温度附近对粉末进行热压时,精确控制压头的位移,在粉末达到完全致密化的尺寸时,立即终止对粉末的加热和压制。在半固态或粉末固相线温度附近对粉末进行热压时,粉末对热压压头的变形抗力极低,使得对粉末进行快速压制成为可能;对压制过程的精确控制,使得压制过程中所经历的时间都是粉末达到致密化所必需的,避免了不必要的过多的压制时间,这两者使热压过程的时间极大缩短,从而显著降低热压过程中粉末微观组织的粗化。用短时热压技术,在半固态温度下制备了硬质合金WC-8Co（wt%）,在稍低于和稍高于预合金粉末固相线温度下制备了超高碳超高铬工模具钢Fe-2.6C-26Cr-1.1Mo-2.3V-1.4Nb（wt%）,研究了它们的微观组织和力学性能:在WC-8Co（wt%）混合粉末的共晶温度1340℃（液相体积分数16.7%）下,采用压力10MPa压制～15s得到几乎完全致密化的WC-8Co硬质合金,相对密度99.92%;WC平均晶粒尺寸为1.86μm,与初始粉末中平均WC晶粒尺寸1.39μm相比,由于较低的热压温度和极短的热压时间,几乎没有长大;硬度HRA 87.6,三点弯曲强度1287.9MPa。作为比较,1400℃真空烧结1小时,相对密度仅达到95.41%,平均WC晶粒尺寸已长大到3.21μm,硬度HRA 80.2,三点弯曲强度475.5MPa,远低于短时热压的WC-8Co（wt%）;1550℃真空烧结3小时,相对密度虽达到几乎完全致密的99.34%,平均WC晶粒尺寸已长大到4.01μm,硬度HRA 85.7,三点弯曲强度984.1MPa,低于短时热压的WC-8Co（wt%）。短时热压能够在较低的热压温度和极短的热压时间得到几乎完全致密的、WC晶粒细小的WC-8Co（wt%）硬质合金,导致较高的硬度和弯曲强度。在低于超高碳超高铬工模具钢固相线温度约25℃的1220℃,用7MPa、10MPa、12MPa的压力下对超高碳超高铬工模具钢预合金粉末进行热压,达到完全致密化的时间分别为25min、15min、5min,相对密度均达到几乎完全致密的99.33～99.87%;经过1150℃淬火、500℃回火碳化物平均尺寸分别为3.64μm、3.17μm、2.48μm,硬度为HRC 59.6、HRC 60.1、HRC 60.5,弯曲强度为1878 MPa、2008 MPa、2156 MPa。作为对比,常用的条件1150℃、2小时下热压的这种钢在相同条件下淬火、回火后,平均碳化物尺寸2.60μm,硬度HRC 60.8,弯曲强度1850 MPa。在稍高于固相线温度约10℃的1255℃（液相体积分数约10.6%）,用压力7MPa对粉末进行热压,10s可得到几乎完全致密的材料,相对密度99.73%,1150℃淬火、500℃回火后的碳化物平均尺寸6.17μm,硬度为HRC 58.5,弯曲强度为1776MPa。在出现液相的温度热压,尽管压制时间很短,碳化物长大速率也是很快的,导致短时热压的碳化物尺寸仍然比低温数小时热压的碳化物尺寸大,以及较低的硬度和弯曲强度。