放電等離子燒結(jié)制備TiCp/M2高速鋼復(fù)合材料

付文超，肖志瑜，李小峰，關(guān)航健，溫利平

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放電等離子燒結(jié)制備TiCp/M2高速鋼復(fù)合材料

付文超，肖志瑜，李小峰，關(guān)航健，溫利平

(華南理工大學(xué)國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，廣州 510640)

采用高能球磨法制備TiCp/M2高速鋼復(fù)合粉末，并通過放電等離子燒結(jié)(SPS)制備TiC顆粒增強M2高速鋼復(fù)合材料(TiCp/M2)。研究SPS工藝參數(shù)對復(fù)合材料的致密化規(guī)律、顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：SPS可以實現(xiàn)TiCp/M2高速鋼復(fù)合粉末的低溫快速致密化；復(fù)合材料的相對密度、硬度和抗彎強度隨燒結(jié)溫度的提高均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在1 040 ℃燒結(jié)時，增大壓力或延長保溫時間，TiCp/M2復(fù)合材料的相對密度、硬度和抗彎強度均有所提高，在50 MPa壓力下保溫10 min所制備的TiCp/M2高速鋼復(fù)合材料具有最佳綜合性能，其M6C型復(fù)合碳化物的平均粒度為0.8 μm，相對密度、硬度和抗彎強度分別為98.9%、HRC 57和1685 MPa。

M2高速鋼；TiCp；放電等離子燒結(jié)

高速工具鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐磨性能，因而被廣泛用于制造切削工具、成形工具及耐磨零件等。采用粉末冶金工藝生產(chǎn)的高速鋼(粉末冶金高速鋼)可以完全消除組織和成分的不均勻性，大幅降低碳化物尺寸，因而比普通高速鋼具有更高的硬度、耐磨性和沖擊韌性，粉末冶金高速鋼制造的切削刀具使用壽命高于普通高速鋼(一般2～3倍)，而且在沖擊載荷大的場合又可替代硬質(zhì)合金刀具[1?3]。為進一步提高粉末冶金高速鋼的韌性和耐磨性能，目前研究的焦點主要集中在：原始粉末顆粒細(xì)化；新化學(xué)配比的原料；添加新的硬質(zhì)相；高效燒結(jié)方法；優(yōu)化熱處理工藝；計算機模擬優(yōu)化高速鋼成分、組織、相結(jié)構(gòu)等方面[4]。

碳化鈦(TiC)具有高熔點(3 150 ℃)、高硬度 (2 859~3 200 HV)，高溫力學(xué)性能穩(wěn)定及耐磨性好、摩擦因數(shù)低、抗氧化性好且與鐵基體之間具有良好的潤濕性等優(yōu)點，因此，TiC已成為鐵基復(fù)合材料的理想增強體[5?6]。

BOLTON[7]和LIU[8]對TiC 顆粒增強粉末冶金高速鋼復(fù)合材料的研究發(fā)現(xiàn)，基體中加入TiC可以有效避免粗大碳化物及共晶網(wǎng)格的產(chǎn)生，并且細(xì)化了晶粒，能獲得良好的顯微組織；李德超[9]對TiC顆粒增強M3/2粉末冶金高速鋼的摩擦磨損性能研究表明，添加TiC顆?？娠@著提高基體的耐磨性?？梢?，TiC在增強粉末冶金高速鋼性能上具有獨特的優(yōu)勢。然而采用傳統(tǒng)的燒結(jié)方法，如真空燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓等，由于燒結(jié)溫度高、燒結(jié)時間長，難以獲得細(xì)小組織的燒結(jié)體且成本較高，近十余年內(nèi)快速發(fā)展起來的放電等離子燒結(jié)技術(shù)(spark plasma sintering，SPS)具有燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)體致密度高、晶粒細(xì)小等特點[10]，對制備高性能金屬基復(fù)合材料具有重要 意義。

本研究向M2高速鋼粉末中添加細(xì)小的TiC顆粒，通過高能球磨細(xì)化基體粉末并使二者混合均勻，再利用SPS對復(fù)合粉末進行燒結(jié)，研究TiCp/M2高速鋼復(fù)合粉末的SPS低溫快速燒結(jié)的致密化規(guī)律及復(fù)合材料的組織與性能，以期對SPS工藝制備TiC顆粒增強M2高速鋼的應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

1 實驗

實驗采用的水霧化M2高速鋼粉末粒度＜147 μm；TiC顆粒的平均粒度為1~3 μm。M2高速鋼粉末的成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：0.83% C，0.27% Mn，0.32% Si，5.12% W，5.0% Mo，3.13% Cr，1.97% V，余量為Fe。按TiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為5%的配比稱量TiC及M2高速鋼粉末，復(fù)合粉末用V型混粉機混合2 h后，利用QM-2SP20型行星式球磨機進行高能球磨，磨球為直徑10 mm的不銹鋼球，球料比為10:1，球磨機轉(zhuǎn)速為260 r/min，球磨時間為20 h，球磨后的TiCp/M2高速鋼復(fù)合粉末形貌如圖1所示。

將球磨后的復(fù)合粉末在SPS-825型放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進行燒結(jié)。燒結(jié)工藝參數(shù)列于表1，升溫速率均為100 ℃/min。

采用阿基米德排水法測量燒結(jié)試樣的密度，硬度在HR-150A型全洛氏硬度計上測試，采用三點彎曲法在CMT5105 型萬能試驗機上測定復(fù)合材料的抗彎強度；每組復(fù)合材料測試3個試樣，取平均值。試樣尺寸為16 mm×4 mm×2 mm，跨距為10 mm，加載速率為0.05 mm/min。采用式(1)計算抗彎強度：

=3/(22) (1)

式中：為合金的抗彎強度，MPa；為斷裂載荷，N；為試樣的跨距，mm；為試樣寬度，mm；為試樣的高度，mm。采用Nova Nano SEM 430型掃描電鏡觀察復(fù)合材料的顯微組織及斷口形貌。

圖1 TiCp/M2高速鋼復(fù)合粉末形貌

表1 燒結(jié)工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 TiCp/M2高速鋼復(fù)合粉末的致密化規(guī)律

圖2所示為TiCp/M2高速鋼復(fù)合粉末在1 060 ℃燒結(jié)時，模沖位移()和位移變化速率(d/d)隨燒結(jié)溫度的變化曲線。從圖中可以看出，粉末的致密化過程可分為3個收縮階段。TiCp/M2復(fù)合粉末開始收縮的溫度為A(約640 ℃)，在A～B(約860 ℃)之間為復(fù)合粉末的劇烈收縮階段。由于在前期的燒結(jié)過程中，SPS脈沖電流在粉末顆粒間產(chǎn)生的放電等離子體，可凈化和活化粉末顆粒，提高燒結(jié)活性和降低原子的擴散激活能，加速粉末的塑性變形和自擴散作用，使燒結(jié)坯發(fā)生劇烈的收縮和密度迅速提高。當(dāng)粉末顆粒發(fā)生較緊密排布時，顆粒間的相對滑移變得困難，原子擴散速度變慢，復(fù)合粉末進入緩慢收縮階段，致使B～C(約940 ℃)之間d/d較低，位移變化不明顯。燒結(jié)溫度增至940 ℃以后，復(fù)合材料的位移再次出現(xiàn)明顯的變化，隨燒結(jié)溫度升高，粉末致密化速率快速增大，粉末進入快速收縮階段。分析認(rèn)為，燒結(jié)溫度達到940 ℃時，粉末中的部分顆粒出現(xiàn)融化，粉末中開始形成液相，顆粒間孔隙中液相形成的毛細(xì)管力以及液相本身的黏性流動，使顆粒調(diào)整位置、重新分布以達到最緊密的排列，并通過Ostwald熟化機制消除組織中的殘余孔隙[11]，從而實現(xiàn)材料的充分致密化。這一溫度低于文獻[8]中報導(dǎo)的TiCp/M2高速鋼復(fù)合粉末開始出現(xiàn)液相的溫度(1 040.7 ℃)。因為在SPS燒結(jié)過程中，顆粒間有效放電，瞬時產(chǎn)生局部高溫，在顆粒表面引起蒸發(fā)和熔化，在顆粒接觸點形成燒結(jié)頸；此外放電沖擊壓導(dǎo)致局部應(yīng)力和能量密集，可以增強粉末體擴散和晶界擴散，加速粉末顆粒液相的形 成[10?12]。由于SPS燒結(jié)過程中顆粒的“自調(diào)節(jié)機 制”[13]，粉末中小顆粒燒結(jié)頸區(qū)域溫度升高更快，液相優(yōu)先在小顆粒表面形成，從圖1中可知，復(fù)合粉末中存在不同粒徑的顆粒，因此在不同溫度下形成的液相量不同, d/d在D(約1 030 ℃)達到一個極大值。從圖中可以看出，在1 060 ℃保溫階段，材料的位移出現(xiàn)了一小段直線式增長，這是由于燒結(jié)體中液相較多，在模具沖頭的擠壓力和自身重力作用下發(fā)生了 外溢。

圖2 放電等離子燒結(jié) TiCp/M2復(fù)合粉末的位移和收縮速率隨燒結(jié)溫度的變化

圖3為復(fù)合材料相對密度與燒結(jié)溫度的關(guān)系曲線。由圖可知，燒結(jié)溫度為960 ℃時，復(fù)合材料的相對密度已達92.3%，在1 040 ℃之前，復(fù)合材料的相對密度隨燒結(jié)溫度升高而增大，1 040 ℃時達到最大值98.9%后，復(fù)合材料的相對密度隨溫度升高略有降低。因為隨溫度升高，液相量逐漸增多，毛細(xì)管力增大，對孔隙的填充能力增強，材料的孔隙率相對減少，致密度增大。然而，過高的燒結(jié)溫度會導(dǎo)致基體材料的揮發(fā)和外溢，所以在1 060 ℃時，材料的相對密度出現(xiàn)下降。

圖3 燒結(jié)溫度對復(fù)合材料相對密度的影響

表2所列為燒結(jié)溫度1 040 ℃時，燒結(jié)壓力和保溫時間對復(fù)合材料相對密度和力學(xué)性能的影響。由表可知，燒結(jié)溫度為1 040 ℃時，隨燒結(jié)壓力的增加或保溫時間的延長，復(fù)合材料的相對密度均增大。SPS燒結(jié)過程中，提高燒結(jié)壓力，有利于加快粉末表面及內(nèi)部原子的擴散、增強粉末體的塑形流動，有利于燒結(jié)體中氣孔的封閉；此外提高燒結(jié)壓力，可增加液體的毛細(xì)管力，加快液相燒結(jié)過程中顆粒重排，有利于燒結(jié)后期材料中殘余氣孔的去除。而延長保溫時間有利于組織中碳化物在主相晶粒間的充分流動，各物質(zhì)擴散完全，從而提高材料的相對密度。粉末冶金材料的力學(xué)性能與其致密度有很大關(guān)系，復(fù)合材料的相對密度提高，其硬度及抗彎強度均提高。

表2 燒結(jié)壓力和保溫時間對復(fù)合材料相對密度和力學(xué)性能的影響(1 040 ℃)

2.2 TiCp/M2高速鋼復(fù)合材料的顯微組織

圖4顯示不同燒結(jié)溫度下的復(fù)合材料SEM照片。當(dāng)燒結(jié)溫度為960 ℃時，復(fù)合材料中的M6C(W、Mo)型復(fù)合碳化物細(xì)小且均勻分布于基體中，M6C型復(fù)合碳化物的平均尺寸約為0.6 μm(如圖4(a))；燒結(jié)溫度提高至1 040 ℃時，復(fù)合材料組織中M6C型復(fù)合碳化物尺寸增大，相對較大的顆粒所占的比率提高，平均尺寸增至0.8 μm時，M6C型復(fù)合碳化物和TiC顆粒均勻分布于基體中(如圖4(b))。燒結(jié)溫度為1 060 ℃時，組織中M6C型復(fù)合碳化物及TiC顆粒均出現(xiàn)了明顯的偏聚現(xiàn)象(如圖4(c))，主要是由于燒結(jié)溫度過高，基體材料發(fā)生外溢，導(dǎo)致溶解在液相中的碳化物易發(fā)生 聚集。

圖5為燒結(jié)溫度為1 040 ℃時，TiCp/M2高速鋼復(fù)合材料的斷口形貌照片。在50 MPa、保溫5 min時，由圖5(a)可見，復(fù)合材料試樣斷口中存在少量孔隙和裂痕；而在50 MPa、保溫10 min時，裂痕消失且孔隙尺寸明顯變小(圖5(d))；在30 MPa、保溫10 min時，試樣斷口中孔隙尺寸較大，裂痕較多(圖5(b))，隨壓力增加，如圖(c)和圖(d)所示，在40 MPa和50 MPa下，斷口中的孔隙減少且尺寸變小，裂痕消失。根據(jù)以上分析，顯然隨燒結(jié)壓力的提高或保溫時間的延長，復(fù)合材料的孔隙減少且尺寸變小、裂痕消失。這是由于TiCp/M2高速鋼復(fù)合材料液相燒結(jié)過程中，雖然致密化速度很快，但由于顆粒靠攏到一定程度會形成拱橋，對液相的流動阻力增大，在該階段不可能達到完全致密，完全致密的完成還需要經(jīng)歷固相的溶解-再沉淀階段和固相骨架的形成階段[11]，由于組織中碳化物含量較高，燒結(jié)時間較短，復(fù)合材料組織中各物質(zhì)遷移和擴散不充分，基體與碳化物粘結(jié)作用不強，容易在結(jié)合處形成裂紋。而燒結(jié)壓力較低時，容易在燒結(jié)初期形成較大的氣孔，在燒結(jié)后期形成的毛細(xì)管力較小，對組織中一些較大氣孔的填充能力不強，因而組織中會存在較多的孔隙。

2.3 燒結(jié)工藝對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖6所示為燒結(jié)溫度對復(fù)合材料硬度和抗彎強度的影響。由圖可見，復(fù)合材料的硬度隨燒結(jié)溫度的變化趨勢與相對密度變化趨勢相同，在1 040 ℃時具有最高的硬度HRC 57。材料中孔隙的存在，使金屬基體抵抗外部壓力的體積減小，削弱了材料表層的抗塑性變形能力[14]，所以孔隙度低的材料具有較高的硬度。復(fù)合材料的抗彎強度隨燒結(jié)溫度升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在1 020 ℃燒結(jié)時具有最大值1 716 MPa，之后抗彎強度隨燒結(jié)溫度升高而降低，燒結(jié)溫度為1 060 ℃時抗彎強度降至1 560 MPa。硬度和抗彎強度在1 060 ℃均出現(xiàn)明顯降低，這是由于組織中碳化物出現(xiàn)了偏聚和晶粒長大。

圖4 燒結(jié)溫度對復(fù)合材料顯微組織的影響

圖5 TiCp/M2高速鋼復(fù)合材料試樣斷口照片

圖6 燒結(jié)溫度對復(fù)合材料硬度和抗彎強度的影響

從表2中可知，燒結(jié)壓力為30 MPa時，復(fù)合材料的硬度及抗彎強度均具有最小值，隨壓力增大，硬度和抗彎強度均增大，壓力增至50 MPa時，材料的硬度和抗彎強度分別增至HRC 57和1 685 MPa。由圖5可知，燒結(jié)壓力較低或保溫時間較短時，復(fù)合材料組織中存在著明顯的孔隙和微裂紋，這些都會降低復(fù)合材料的硬度和抗彎強度。

3 結(jié)論

1) 采用放電等離子燒結(jié)可以實現(xiàn)TiCp/M2高速鋼復(fù)合粉末低溫快速致密化。粉末致密化過程分為3個收縮階段：在640～860 ℃之間，為粉末的劇烈收縮階段，860～940 ℃為緩慢收縮階段，940 ℃以后為粉末的快速收縮階段。

2) 隨燒結(jié)溫度升高，復(fù)合材料的相對密度、硬度和抗彎強度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。燒結(jié)溫度達到1 060 ℃時，組織中的M6C型復(fù)合碳化物及TiC出現(xiàn)了偏聚；在燒結(jié)溫度為1 040 ℃時，提高燒結(jié)壓力或延長保溫時間均可以提高復(fù)合材料的相對密度、硬度和抗彎強度。

3) 在1 040 ℃、保溫10 min、燒結(jié)壓力為50 MPa時，TiCp/M2復(fù)合材料具有最佳的綜合性能，相對 密度、硬度和抗彎強度分別為98.9%、HRC 57和 1 685 MPa，組織中的M6C型復(fù)合碳化物平均尺寸約為0.8 μm。

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(編輯 高海燕)

Preparation of TiCp/M2 composite by spark plasma sintering

FU Wen-chao, XIAO ZHi-yu, Li Xiao-feng, GUAN Hang-jian, WEN Li-ping

(National Engineering Research Center of Near-net-shape Forming for Metallic Materials, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

High energy ball milled TiC and M2 high speed steel powders were used to prepare TiCp/M2 high speed steel composite using spark plasma sintering (SPS). The effects of processing parameters on densification behavior, microstructure and mechanical properties of the prepared TiCp/M2 high speed steel composite were investigated. The results show that rapid densification can be achieved at low sintering temperature. With increasing sintering temperature, the relative density, hardness and transverse rupture strength of the composite increase first and then decrease. Sintering at 1 040 ℃, the relative density, hardness and transverse rupture strength all increase with increasing sintering pressure and sintering time. The best mechanical properties of TiCp/M2 composite with grain size of 0.8 μm can be obtained by sintering at 1 040 ℃ for 10 min under 50 MPa. Its relative density, hardness and transverse rupture strength are 98.9%, HRC 57 and 1685 MPa, respectively.

M2 high speed steel; TiCp; spark plasma sintering

TF124

A

1673-0224(2015)2-194-06

廣東省產(chǎn)學(xué)研項目(2011B09040047)；廣東省科技攻關(guān)項目(2013B010403001)

2014-05-04；

2014-07-03

肖志瑜，教授，博士。電話：13922266121；E-mail: zhyxiao@scut.edu.cn