高速工具钢MIM

目录

• 22.1 介绍

• 22.2 工具钢MIM加工

• 22.2.1 原料

• 22.2.2 脱脂

• 22.2.3 烧结

• 22.2.4 热处理

• 22.3 机械性能

22.1 介绍

工具钢是一类在硬化钢基体中含有分散碳化物的钢。这些钢用于金属切削、工具和模具以及许多其他热磨损和冷磨损应用。这些钢中典型存在的碳化物为富钒MC型、富W和富Mo M6C型，根据合金成分，富Mo M2C和富铬M23C6型。MC碳化物是所有碳化物中最耐磨的。M23C6碳化物在较低温度和热处理过程中沉淀。热处理包括奥氏体化和淬火，类似于传统钢；然而，由于碳含量高，淬火后存在残余奥氏体。奥氏体化在固相线温度附近进行，其中所有M23C6和大部分M6C都进入溶液中。通常进行两次回火操作。第一次操作回火由第一次淬火形成的马氏体，并且还沉淀M6C和M23C6碳化物。这会耗尽碳的残余奥氏体，使其在冷却过程中转变为马氏体。第二次回火操作将回火新形成的马氏体。

传统上，工具钢是铸锭，这会导致合金元素在凝固过程中分离，并在热加工过程中形成大量碳化物沉淀物，形成桁条。20世纪60年代，开发了将大的球形、气体雾化工具钢粉末热等静压（HIP）至全密度。HIP坯料被热加工成各种近净形状。这种方法避免了铸造固有的偏析，并且由于粉末中的小沉淀尺寸，导致了具有良好分散碳化物的更精细的微观结构。由于微观结构的细化，HIP工具钢将具有比相同成分的铸锭工具钢更高的韧性和相似的硬度。HIP工艺的发展也让位于无法铸造的高合金工具钢的开发，例如CPM10V（AISI A11）和CPM9V（AISI A11的低碳和钒含量版本）。

在20世纪80年代和90年代初，针对几种工具钢等级证明了冷压和烧结水雾化粉末，从而提高了HIP高速工具钢的净成形能力，其微观结构和性能与HIP热加工工具钢相似。工具钢的粉末注射成型（PIM）在20世纪90年代后期兴起，允许进一步提高成型能力。PIM工具钢可以利用气体雾化粉末的精细切割（-325目，-400目），这对于HIP来说是不理想的。常见的PIM高速工具钢等级为M2、M4、T15和M42。金属注射成型（MIM）工具钢组件适用于中等至大容量磨损应用，如切削钻头、压接钳和其他工具组件。例如，MIM高速工具钢切削钻头的应用如图22.1所示。其他工具钢等级（如A2和S7）也在MIM生产中；然而，它们的加工不同于高速工具钢，并且与低合金钢更为匹配，因为它们的合金含量低于高速工具钢。

22.2 工具钢MIM加工

本节将在高速工具钢加工的背景下对MIM工艺进行回顾。如果适用，将与其他MIM处理问题进行比较。

22.2.1 原料

由于球形形状和尺寸与不锈钢粉末相似，气体雾化高速工具粉末的原料配方和注射成型与316L和17-4PH不锈钢非常相似。表22.1给出了几种高速工具钢粉末的典型粉末特性。表22.2给出了一些高速钢的化学计量。

图 22.1 MIM高速钢切削钻头。左边的组件是模制的，右边的组件是热处理的，黑色氧化的，磨得锋利

表格 22.1 典型的D90<22μm气体雾化高速工具钢粉末特性

表格 22.2 几种高速工具钢的典型化学计量

蜡聚合物和聚缩醛基粘合剂已被证明是可作为预混合原料商购的。根据粉末粒度分布和粘合剂配方，气体雾化粉末的固体含量通常为60-67 vol.%，水雾化粉末为51-63 vol.%。

工具钢如A2和S7具有类似于合金钢如4140或4605的原料加工，其中基础材料是羰基铁粉，合金添加剂是元素添加剂或中间合金的形式。

22.2.2 脱脂

PIM工具钢的脱脂在碳控制方面存在一些挑战。纯H2气氛会导致脱碳，而N2或Ar气氛会导致粘合剂未完全燃烧产生碳吸收，或与粉末或气氛中的氧气反应产生碳损失。通常使用5%-25%H2/余量N2的混合物；CO/CO2或CH4/H2混合物也可以在预烧期间用于更精确地控制碳。退绕温度取决于聚合物在感兴趣的气氛中燃烧的温度。模制材料的热重分析（TGA）应在感兴趣的气氛中进行，以确定合适的温度，以确保聚合物被适当地燃烧，而不会太快。当聚合物烧得太快时，会留下碳残留物，这会严重影响烧结反应和随后的机械性能。

22.2.3 烧结

PIM工具钢的烧结是通过超固态液相烧结实现的。在预合金粉末中，当加热到高于固相线温度时，在晶界和颗粒之间形成液体。当达到液体对晶界的临界覆盖时，会发生快速致密化至接近100%的密度。致密化可能在10分钟内发生。使用膨胀法可以清楚地看到这种快速致密化。M2工具钢的膨胀计图如图22.2所示。请注意，在约1250℃之前，几乎不会发生致密化，此时会发生快速致密化。这种快速致密化是由于晶界处的液体形成。过多的晶界液体覆盖将导致变形。在超固态液相烧结过程中，晶粒生长非常迅速，因此晶界面积不断减小。这意味着，即使一旦烧结保持开始，液体体积分数可能是恒定的，但在保持时间内，用液体覆盖晶界的分数将增加，可能导致变形。

图 22.2 M2工具钢的膨胀计图，显示1250℃时的快速致密化

对于工具钢，微结构问题通常先于显著变形。M6C碳化物在烧结过程中与钢基体形成共晶液体。冷却后，由于过度集中而形成的过量液池将凝固为晶界碳化物膜或碳化物和钢的层状混合物，而不是离散的碳化物颗粒。这些薄膜和层状结构将通过沿晶界形成容易的裂纹扩展路径而降低机械性能。适当烧结的工具钢在冷却时会在原有奥氏体晶界上析出离散碳化物。图22.3显示了未烧结、适当烧结和过度烧结的M2工具钢。“烧结窗口”是指温度和时间的允许变化，这将产生可接受的密度，而不会产生不可接受的微观结构粗化或变形。通常，在给定时间内，允许温度变化小于50℃，但可能低至5℃。该烧结窗口由热力学决定，可以用伪二元相图来说明。例如，M2的伪二元相图如图22.4所示。烧结窗口可以由M2的碳含量下的液体+奥氏体+碳化物相区域的温度范围近似，该温度范围约为0.85%。该碳含量的温度范围仅为13℃，约为1245-1258℃。严格的温度控制和短的保持时间是最佳处理的首选。通过使用调谐良好的多区烧结炉可以获得高度精确的烧结控制。

图 22.3 M2工具钢：（A）未焊透。（B） 适当烧结。（C） 略微偏中，具有不连续的晶界碳化物膜。（D） 覆层，层状结构

图 22.4 M2工具钢的伪相图

真空烧结通常用于工具钢，通过从孔中去除气体，有助于实现完全致密化。具有石墨结构的熔炉热区可以提供避免脱碳所需的碳势；然而，这些炉并不总是装备用于聚合物燃烧，需要单独的热脱脂操作。其他地方对真空烧结配置进行了审查。也已证明在富含N2的N2/H2和N2/H2/CH4气氛中烧结，尽管N2吸收到合金中可导致形成MX碳氮化物代替MC碳化物。据报道，这会增加T15、T42和M2工具钢在真空烧结过程中的烧结窗口，因为碳氮化物在烧结过程中会固定晶界。这种效应在T15中最为明显，因为V含量较高，因此有更多的MC可转化为MX碳氮化物。在MC碳化物中用N2替代碳使碳释放到基体中，以降低固相线温度，从而降低高V含量钢（如T42和T15）的烧结温度。已公布的烧结数据表明，M2在PIM中的常用工具钢中具有最窄的烧结窗口，而T15具有最宽的烧结窗口。表22.3总结了M2、T42和T15工具钢在不同气氛下的烧结温度。由于A2和S7具有添加了母合金的基础羰基铁粉，因此烧结与低合金钢的加工非常相似。

表格 22.3 各种环境下公布的烧结温度汇总（以℃为单位）

一些研究人员已经证明，碳含量增加0.2-0.6 wt.%将使最佳烧结温度降低约25-50℃，并将烧结窗口增加多达30℃，具体取决于合金。这是通过降低固相线温度实现的，而相边界上限的最小降低会导致过度的微观结构粗化。然而，需要注意的是，碳含量的变化会影响钢的性能，而等级的变化可能是更好的解决方案。

22.2.4 热处理

MIM部件的热处理可以使用与常规加工工具钢相同的条件进行。一个问题是碳含量，因为MIM组件的碳含量可能在规格范围内变化，热处理响应可能会发生变化。最佳做法是测量每个批次的碳含量，并调整热处理条件以匹配。表22.4显示了工具钢在盐和真空工艺中的一些标准热处理条件。使用多次回火来减少残余奥氏体的量并提高工具钢的硬度。这些高速工具钢在盐浴处理后的微观结构如图22.5所示。

图 22.5 热处理后（A）M4.（B）T15.（C）M42的微观结构

表格 22.4 高速工具钢的热处理条件

表格 22.5 使用以下热处理条件的各种MIM工具钢的平均硬度

22.3 机械性能

本节提供了经受表22.4所示热处理条件的MIM T15、M4和M42高速钢的机械性能。这些MIM样品在1285℃（T15）、1260℃（M4）和1220℃（M42）下烧结30分钟。表22.5显示了不同工具钢的十次硬度测量的平均值。注意热处理方法与洛氏硬度和努氏硬度之间的差异。

本节提供了经受表22.4所示热处理条件的MIM T15、M4和M42高速钢的机械性能。这些MIM样品在1285℃（T15）、1260℃（M4）和1220℃（M42）下烧结30分钟。表22.5显示了不同工具钢的十次硬度测量的平均值。注意热处理方法与洛氏硬度和努氏硬度之间的差异。

使用改进的ASTM G65-94试验评估这些相同的工具钢的磨损行为。在这种情况下，试样尺寸为6.3mm直径×37mm长，测试条件为6000转，200转/分钟，试样力为13N。磨损结果如图22.6所示。在盐浴中热处理的钢的耐磨性略高于在真空中处理的钢。T15和M4表现出比M42更好的耐磨性。

图 22.6 使用表22.4中给出的条件进行热处理的各种MIM工具钢的对比ASTM G65-94磨损结果。T15显示了热处理条件下的最小磨损