快速凝固微晶材料

快速凝固微晶材料快速凝固鋁合金快速凝固鎂合金快速凝固銅合金快速凝固鐵合金快速凝固鈦合金快速凝固合金微觀組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

微觀組織明顯細(xì)化成分偏析顯著減小合金元素過飽和固溶度明顯提高空位濃度和位錯密度大大增加形成新的亞穩(wěn)平衡相快速凝固鋁合金研究背景高性能鋁合金的發(fā)展可追溯到二十世紀(jì)四十年代。首先開發(fā)的是Al-Al2O3彌散強(qiáng)化合金。為了細(xì)化合金的顯微結(jié)構(gòu)，最早采用的方法是稱為“直接冷卻法”，即在凝固金屬的外殼通入冷卻介質(zhì)，以加速熱傳導(dǎo),結(jié)果使鑄件的枝晶臂間距減小了五分之一。欲進(jìn)一步細(xì)化顯微結(jié)構(gòu)，必須再加快凝固速率。而且已經(jīng)確知，借助于普通粉末冶金工藝,使用平均粒度100μm的粉末,不可能大幅度地改善鋁合金的性能，因此，注意力轉(zhuǎn)向快速凝固?？焖倌涛⒕тX合金卓有成效的進(jìn)展是降低密度，提高彈性模量、增加強(qiáng)度、保持耐蝕性、改善高溫性能，同時也解除了傳統(tǒng)熔鑄冶金帶來的某些束縛。鑄造鋁合金在凝固時容易形成的粗大夾雜，這些夾雜往往含有Fe和Si，將惡化合金的成形性、斷裂韌性和持久性能，對疲勞、腐蝕、應(yīng)力腐蝕和蠕變等性能也有影響，而快速凝固能擴(kuò)大固溶極限，使這些夾雜全部固溶或呈細(xì)小彌散顆粒，因此增加了固溶強(qiáng)化和時效強(qiáng)化作用?？焖倌啼X合金

強(qiáng)化原理快速凝固鋁合金

固溶度擴(kuò)大元素平衡態(tài)最大溶解度（原子%

）溫度K報(bào)道的最大溶解度（原子%

）Cr0.449345-6Cu2.582117-18Fe0.0259284-6Mg18.972336.8-40Mn0.79236-9Ni0.0239131.2-7.7Si1.5985010-16

快速凝固二元鋁合金的溶解度

快速凝固鋁合金實(shí)例

高強(qiáng)鋁合金

對于高強(qiáng)鋁合金，快速凝固合金成分大致與傳統(tǒng)的合金類似，因此，性能的改善主要?dú)w因于快速凝固工藝使材料的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。與傳統(tǒng)熔鑄合金相比，其顯微結(jié)構(gòu)由大大細(xì)化的晶粒和極細(xì)小的一次沉淀顆粒組成

。熔鑄和快速凝固7091力學(xué)性能的比較

疲勞強(qiáng)度因細(xì)化晶粒和細(xì)小的一次沉淀而得以顯著提高.抗應(yīng)力開裂腐蝕性能的改善尤為突出，原因同樣是細(xì)化了一次沉淀顆粒的緣故?？焖倌毯辖鸬牟焕幨瞧诹鸭y的長大速度太快（至少在恒定振幅的情況如此），這也是由于晶粒細(xì)小造成的?？焖倌啼X合金實(shí)例

高強(qiáng)鋁合金快速凝固鋁合金實(shí)例

輕合金

含鋰的鋁合金不僅重量輕，還改善了剛性，因此為飛機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)者所關(guān)注。鋁合金工業(yè)在市場競爭中受到纖維增強(qiáng)塑料材料的挑戰(zhàn)，從而促進(jìn)了輕型鋁合金的開發(fā)。雖然在發(fā)展熔鑄鋁-鋰合金方面取得進(jìn)展，但是因?yàn)楹辖鸬捻g性差和延性低而使鑄件加工十分困難。正因?yàn)槿绱?，奧爾科婭的熔鑄IM2020合金在60年代被從市場排擠出去。

快速凝固鋁合金實(shí)例

輕合金

鋁-鋰合金延性和斷裂韌性不佳的原因主要是變形時(Al3Li)沉淀顆粒的剪切作用，使合金產(chǎn)生明顯的平面滑移。后來的研究是設(shè)法引入第二相以阻止位錯剪切。均勻分布的無剪切作用的(Al2CuMg)相能十分有效地阻礙了位錯的運(yùn)動。但是，為了獲得均勻分布的相，必須進(jìn)行塑性加工，而且往往需要延展形式的加工，例如鍛造、擠壓等。快速凝固鋁合金實(shí)例Al-Li合金聯(lián)合公司成功地研發(fā)了鋁-鋰鍛造合金，通過添加Zr明顯改善了鋁-鋰合金的力學(xué)性能，原因：(1)Zr與Al能生成亞穩(wěn)Al3Zr，并與鋁-鋰合金的主要強(qiáng)化相（Al3Li）同型。(2)亞穩(wěn)Al3Zr能有效阻礙位錯切變；(3)在時效熱處理過程中Al3Li顆粒環(huán)繞共格的Al3Zr，形成一種特殊的Al3（Li，Zr）復(fù)合沉淀顆粒?？焖倌啼X合金實(shí)例Al-Li合金

Al3Li與阻礙剪切的Al3Zr相結(jié)合，而不再促進(jìn)平面滑移。Al3(Li，Zr)復(fù)合沉淀顆粒導(dǎo)致位錯的奧羅萬(Orowan)繞過運(yùn)動，從而改善了延性。經(jīng)過簡單的熱處理后，這種合金具有良好的強(qiáng)度和延性綜合性能。值得注意的是，快速凝固Al-Li-Zr合金證實(shí)了接近最終形狀工藝的現(xiàn)實(shí)性。左圖的零件正在波音飛機(jī)中試車。

對于添加中等含量合金元素的Al-Li合金，例如：Al-4.5Cu-1.2Li-Mn和Al-3Li-1.5Cu-1Mg-0.2Zr，如果與傳統(tǒng)熔鑄工藝的產(chǎn)品相比，從合金的強(qiáng)度和延性等方面考慮，也許沒有必要用粉末合金代替熔鑄合金。然而，人們期望快速凝固工藝能在添加高含量Li和Mg等合金元素方面發(fā)揮作用

?？焖倌淘谳p合金方面的另一進(jìn)展是在Al-Li合金中加Be，明顯減輕大型結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。因?yàn)橥瑫r提高了強(qiáng)度，其意義不僅僅是減輕質(zhì)量。如果用熔鑄工藝，溶解度極低的Be將在合金中形成粗大的顆粒沉淀，使合金的延性降低。

快速凝固鋁合金實(shí)例

輕合金快速凝固鋁合金實(shí)例

高溫鋁合金

在快速凝固高溫鋁合金系列中，成功的有Al-8Fe-2Mo、Al-8Fe-3.4Ce、Al-12Fe-V和Al-1.5Zr-1.0Mn。最近又改型了這些合金系列，例如加Si到Al-Fe-V合金和提高Al-Fe-Ce合金中Ce的含量等。在高溫下應(yīng)用的鋁合金，通常選用過渡元素和稀土元素作為添加劑，因?yàn)檫@些元素固態(tài)時的溶解度低，而且擴(kuò)散系數(shù)較小，所以能在合金中生成沉淀顆粒，并且顆粒的粗化速度慢且相當(dāng)穩(wěn)定，只要添加足夠多就能生成高體積分?jǐn)?shù)的沉淀相?？焖倌坦に囉帜艽偈股煞浅＜?xì)小的沉淀顆粒?？焖倌棠蜔徜X合金實(shí)例Al-8Fe-2Mo合金由室溫至300℃的屈服強(qiáng)度水平在均衡了密度差別的情況下甚至可與鈦合金媲美。較能代表高溫抗力的性能是蠕變強(qiáng)度。Al-Fe-V-Zr合金在暴露于鹽霧中的質(zhì)量損失是熔鑄2014-T6和普通粉末冶金7090、7091合金損失的1/4。改善的原因包括化學(xué)成分的不同和顯微結(jié)構(gòu)細(xì)化兩者的作用。典型快速凝固耐熱鋁合金快速凝固FVS1212合金拉伸屈服強(qiáng)度與重量之比接近于Ti-6Al-4V合金的水平，斷裂韌性約11MPa?m1/2?？焖倌蘁VS0812合金的斷裂韌性為31MPa?m1/2。合金在698K溫度下退火100小時后，室溫屈服強(qiáng)度和延性基本上不變。這種良好的熱穩(wěn)定性是由于硅化物的粗化速率較低的原因，Al12(Fe，V)3Si彌散顆粒的粗化速率比Al-Fe金屬間化合物低2-3個數(shù)量級。因?yàn)楣杌锖扛撸珹l-Fe-V-Si合金的彈性模量高于常規(guī)鋁合金。FVS1212合金的比剛度高于鈦和沉淀強(qiáng)化鋼。在溫度420K以上，F(xiàn)VS1212合金的比剛性大于含20％(體積)碳化硅增強(qiáng)6061鋁。Al-Fe-V-Si系列Al-Fe-V-Si合金具有優(yōu)異的耐蝕性。FVS0812合金在鹽霧中的質(zhì)量損失很小。FVS1212耐應(yīng)力腐蝕開裂能力特別強(qiáng)，合金在3.5％氯化鈉溶液中浸40天后，橫向施加應(yīng)力到360MPa也沒有開裂，此應(yīng)力值相當(dāng)于這種合金拉伸屈服應(yīng)力的95％。FVS0812合金的高周疲勞強(qiáng)度與2014-T6合金相當(dāng)，這時因?yàn)楹辖饦O細(xì)小的微晶結(jié)構(gòu)阻止了疲勞誘導(dǎo)裂紋的萌生；又因?yàn)镕VS0812合金含有細(xì)小球形硅化物，而不是片狀或者針狀的金屬間化合物，所以疲勞裂紋在FVS0812合金中的擴(kuò)展速度接近于在粗晶粒的2014-T6合金中的速度。Al-Fe-V-Si系列典型快速凝固耐熱鋁合金典型快速凝固耐熱鋁合金應(yīng)用氣體渦輪發(fā)動機(jī)（壓縮機(jī)翼和葉片）火箭和導(dǎo)彈（舵和火箭助推器殼體）飛機(jī)骨架飛機(jī)輪（不能用鈦合金，因?yàn)殁佉兹迹﹥?nèi)燃機(jī)（連桿、活塞零件）快速凝固鎂合金研究背景

鎂及其合金在平衡或接近平衡的常規(guī)鑄造條件下，微觀組織和結(jié)構(gòu)存在許多缺點(diǎn)，因而長期以來沒有作為結(jié)構(gòu)材料得到很好的使用。這些缺點(diǎn)包括：Mg具有滑移系少，在溫度不高時不易產(chǎn)生塑性變形。Mg具有很弱的電負(fù)性，2/3的合金溶質(zhì)元素在α-Mg固溶體中的最大固溶度小于1at.％。Mg很難通過冷加工和合金化提高合金的強(qiáng)度。Mg化學(xué)活性高，不能形成表面防護(hù)膜，耐蝕性差。Mg自擴(kuò)散系數(shù)高，使Mg合金中的沉淀相很容易粗化，常規(guī)方法生產(chǎn)的鎂合金的高溫強(qiáng)度等性能都較差?？焖倌替V合金研究背景

鎂也有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如密度很小，在有可能作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的金屬中是最輕的。此外，Mg的價格也相對較低，但是長期以來在常規(guī)生產(chǎn)條件下鎂和鎂合金始終沒有作為一種工程材料受到重視?？焖倌碳夹g(shù)的出現(xiàn)為改變鎂合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能創(chuàng)造了條件?？焖倌替V合金組織結(jié)構(gòu)

快速凝固細(xì)化鎂合金的晶粒，明顯減少了成分偏析，鎂合金快速凝固后晶粒尺寸減小到鑄態(tài)的1/16，枝晶臂間距僅為5-8μm，彌散第二相的尺寸僅為0.01μm，晶粒的細(xì)化有可能抑制孿晶的形成.如果在合金中加入適量的Si，在快速凝固后可以形成直徑約為50nm的Mg2Si沉淀相，這些沉淀相不僅強(qiáng)化了基體，還能阻止晶粒的長大?？焖倌淌购苄〉娜苜|(zhì)固溶體有較大的擴(kuò)展和形成了許多新的亞穩(wěn)中間相。這些微觀組織結(jié)構(gòu)上的這些變化使合金的性能有了較大的提高。快速凝固鎂合金實(shí)例性能

與常規(guī)鎂合金相比，快速凝固鎂合金的室溫強(qiáng)度、延性、高溫力學(xué)性能和耐蝕性能都有了明顯的改善。快速凝固Mg-2mass％Si、Mg-6％Si、和Mg-4.5％Ba、Mg-8.3％B合金中，分別形成了彌散的Mg2Si和Mg2Ba沉淀相，在317℃時的強(qiáng)度比常規(guī)的ZK60合金提高了3~5倍?？焖倌蘘K60合金在60℃擠壓成型后的屈服強(qiáng)度并鑄造并鍛造后成分相同的合金提高了120MPa，抗拉強(qiáng)度提高60MPa，同時還具有很好的延性。經(jīng)過成分改進(jìn)的Mg-9mass％Li合金(加入2mass％Si或者Ce)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都比常規(guī)鍛造Mg-9mass％Li合金提高了50~60％。除了強(qiáng)度的提高外，快速凝固后晶粒的細(xì)化和在合金中加入Ni、Li、Si、Pd、Pt、Sb、Ge、Sc和In等合金元素使合金中形成了具有立方結(jié)構(gòu)的相都有效地改善了Mg合金的延性。快速凝固鎂合金的熱穩(wěn)定性比常規(guī)Mg合金有較大的提高，例如在Mg-Al-Zr合金中，快速凝固形成的彌散Al3Zr沉淀相釘扎了晶界，阻止了晶粒的長大，所以在300~400℃保溫達(dá)300小時后仍然能保持室溫強(qiáng)度不變。快速凝固鎂合金微觀組織結(jié)構(gòu)的均勻化和彌散沉淀相的形成還提高了合金的抗腐蝕能力，例如，常規(guī)鑄態(tài)Mg-5.3mass％Zn-0.6％Zr合金通常具有正電性的α-Mg枝晶和電負(fù)性的枝晶間Mg51Zn20相組成，因而很容易受電化學(xué)腐蝕，當(dāng)快速凝固冷速較高時可以完全抑制Mg51Zn20相的形成，使合金的抗電化學(xué)腐蝕性能有明顯提高?？焖倌替V合金實(shí)例組織性能某些新型快速凝固鎂合金還同時具有很好的強(qiáng)度、延性、抗腐蝕性能和高溫穩(wěn)定性，快速凝固Mg-5~8at％Al-1~2at％Zn-0.5~2at％X（X＝Pr、Nd、Ce）就是其中的一種典型合金

。這些合金在快速凝固后在晶粒細(xì)小(尺寸為0.36~0.70微米)的基體上產(chǎn)生了彌散的Mg3X或Mg17Y3沉淀相（尺寸為0.04~0.07μm），這些沉淀相是有很高熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性的金屬間化合物，所以它們在擠壓固結(jié)成型和高溫條件下沒有發(fā)生明顯的粗化，并能對晶界產(chǎn)生有效的釘扎作用，因而這些合金具有十分突出的室溫和高溫綜合力學(xué)性能。

快速凝固鎂合金實(shí)例組織性能

高溫鈦合金的開發(fā)始于二十世紀(jì)六十年代。首先在鈦中添加硅以提高高溫蠕變強(qiáng)度，進(jìn)而又將鋯和鉬加入到基體中以穩(wěn)定硅化物彌散顆粒。在500~600℃范圍內(nèi)應(yīng)用這種含硅和鋯的鈦合金，就蠕變性能和其它對結(jié)構(gòu)敏感的性能而言，已基本上達(dá)到了最佳水平。但此溫度范圍只要稍高于0.47Tm。如果用這一尺度來衡量材料的能力，那么鈦合金遠(yuǎn)不及高溫合金，高溫合金的應(yīng)用范圍已經(jīng)達(dá)到了0.9Tm。正因?yàn)閭鹘y(tǒng)鈦合金欠缺高溫能力，才促進(jìn)了對高溫鈦合金的開發(fā)。快速凝固鈦合金研究背景

高溫鈦合金的發(fā)展頗為艱難，因?yàn)椋涸阝伜辖鹣抵姓也坏较蟾邷睾辖鹬心菢釉诟邷叵乱埠芊€(wěn)定并與基體共格的強(qiáng)化相；當(dāng)溫度高于α轉(zhuǎn)變溫度時，硅化物的粗化速度很快，原因是溶質(zhì)元素硅的擴(kuò)散速率很高；高于600℃時發(fā)生極快速的氧化反應(yīng)。從而妨礙了在鈦合金高溫下的應(yīng)用。對此，人們進(jìn)行了針對性的努力：如以強(qiáng)α-穩(wěn)定元素的合金化來提高同素異型化溫度；采用快速凝固工藝向基體中引入非硅化物的沉淀相或彌散相；用抗氧化涂層涂覆合金的表面等?？焖倌题伜辖鹧芯勘尘耙郧霸囘^向鈦中添加大量的稀土元素（～1％原子），用傳統(tǒng)熔鑄法生產(chǎn)，結(jié)果鑄錠的合金相內(nèi)含有直徑由1到幾個微米那樣粗大的稀土顆粒。這些粗大的稀土顆粒幾乎使之用鑄錠工藝通過添加稀土元素發(fā)展高溫鈦合金步入絕境。但快速凝固工藝能避免生成粗大顆粒而代之為細(xì)小的均勻的顆粒，重新激起了人們對添加稀土元素到鈦合金中的興趣?？焖倌题伜辖鸸に嚪椒焖倌题伜辖鸸に嚪椒?/p>

高溫鈦合金的發(fā)展途徑主要是通過快速凝固使基體內(nèi)產(chǎn)生很細(xì)小且穩(wěn)定的彌散顆粒。添加元素包括類金屬(硼、碳、硅)、稀土金屬和一個錒系元素(釷)。所有這些元素在室溫下幾乎不溶于鈦，但在高溫下存在以有限的溶解度。此外，這些元素能在鈦基體中形成彌散顆粒，發(fā)揮高溫彌散強(qiáng)化作用。盡管快速凝固工藝發(fā)展十分迅速，但大規(guī)模應(yīng)用到鈦合金中還有困難，因?yàn)殁伜苋菀着c坩鍋和環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。早在二十世紀(jì)七十年代就出現(xiàn)若干制取鈦合金粉末的工藝并成形到接近最終形狀，主要途徑還是粉末冶金法。粉末的生產(chǎn)工藝有很多種，例如：溶液提取工藝、電弧熔化自旋工藝、離心霧化工藝和超聲氣體霧化工藝等。

快速凝固鈦合金工藝方法快速凝固鈦合金工藝方法實(shí)例以Ti-6Al-4V為例：用垂直滴落溶液提取工藝生產(chǎn)薄的。熱壓溫度955℃、壓力為5.5MPa、時間1小時。若采用熱等靜壓工藝，首先將薄片冷壓成形，然后用不銹鋼包套壓坯并在870℃下脫氣15小時進(jìn)行熱等靜壓。熱等靜壓溫度955℃、壓力為167MPa。兩種工藝基本上都達(dá)到了100％密度，但在高溫致密化過程中晶粒發(fā)生長大。為防止顯微結(jié)構(gòu)粗化卻又能獲得全密度產(chǎn)品，采用較低的致密化溫度。例如電子束熔化濺射淬冷薄片在800~950℃下進(jìn)行熱壓，再于800℃鍛造加工成4.0mm厚的板材，最后在800℃下熱軋成1.5mm厚的薄板。所有彌散強(qiáng)化鈦合金的致密化溫度都比傳統(tǒng)溫度低約100℃，但都達(dá)到全密度和良好的冶金粘結(jié)。鈦合金致密化的突出特點(diǎn)是原粉末顆粒表面的氧化物在熱致密化過程中由于擴(kuò)散而消失?？焖倌题伜辖鸱勰┲旅芑蟮氖覝貜?qiáng)度比同成分的傳統(tǒng)熔鑄合金提高15％~40％?？焖倌坦に囀鼓切┯萌坭T工藝不可能溶于鈦合金的溶質(zhì)成為可溶，從而能控制快速凝固鈦合金中彌散顆粒的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最佳水平。快速凝固工藝通過改變晶粒尺寸。彌散顆粒的尺寸和體積分量以及氧含量等而明顯改變合金的室溫變形行為。前兩個因素受冷卻速度和熱處理?xiàng)l件控制；而氧含量只要在熱加工過程中避免與環(huán)境發(fā)生反應(yīng)便可以保持在最低水平。快速凝固鈦合金性能快速凝固銅合金研究背景

用常規(guī)方法生產(chǎn)的銅合金一般都具有很好的導(dǎo)電性，但是力學(xué)性能不夠好，快速凝固銅合金不僅保持了良好的導(dǎo)電性能，而且改善了合金的耐磨性能、室溫與高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能，為銅合金的應(yīng)用開辟了更為廣闊的天地?？焖倌蹄~合金實(shí)例快速凝固Cu-Ni、Cu-Fe、Cu-Cr和Cu-Pb

等合金的研究表明，快速凝固顯著提高了Fe、Cr等合金元素在Cu中的固溶度，例如Fe的固溶度可以擴(kuò)展到20at％。而Cu-Ni-Sn合金快速凝固后的偏析程度和偏析距離與鑄態(tài)合金相比都有了明顯的減小。微觀組織結(jié)構(gòu)的這些改善明顯提高了合金的室溫硬度、強(qiáng)度和耐磨性能，并使合金具有良好的延性。快速凝固銅合金實(shí)例

Cu-Ni、Cu-Fe合金快速凝固后室溫延伸率達(dá)到40％。具有高導(dǎo)電性能的Cu-Al、Cu-Si、Cu-Ni-Ti、Cu-Cr-Zr、Cu-Cr-Zr-Mg等合金在快速凝固后由于產(chǎn)生了大量均勻、彌散的氧化物（如TiO2等），所以一直到1000℃仍然可以保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因而在20-450℃范圍內(nèi)具有極好的室溫和高溫力學(xué)性能。

快速凝固銅合金實(shí)例左圖比較了用霧化和模冷快速凝固方法制取的Cu-5Ni-2.5Ti合金與常規(guī)鑄造的這一合金的室溫硬度和不同的高溫下保持1消失后再在室溫下測定的硬度。從圖可以看出，Cu-5Ni-2.5Ti合金在快速凝固后特別是在冷速較高的模冷快速凝固后，室溫和高溫退火后的硬度明顯高于常規(guī)鑄造的合金。Cu-Al-Fe合金有一定的強(qiáng)度和耐蝕性，而增加Al含量可以進(jìn)一步提高合金的腐蝕抗力。但是在常規(guī)鑄造凝固條件下，當(dāng)合金中的Fe含量通常為3％時，Al在Cu中固溶度極限是9.5％，所以合金中Al含量大于這一極限時就會產(chǎn)生體心立方的β-Cu相并進(jìn)一步共析分解為α-Cu和Cu9Al4（γ2）相，這種多相結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生局部腐蝕，因而抵消了增加Al含量的作用。而Cu-Al-Fe合金在激光表面熔化并快速凝固后，即使在Al含量很高的情況下也可以完全抑制其它相的產(chǎn)生，使合金表層形成均勻的單相結(jié)構(gòu)，在提高合金表面力學(xué)性能的同時明顯提高了合金的耐腐蝕性能.快速凝固銅合金實(shí)例快速凝固銅合金應(yīng)用

快速凝固銅合金代替常規(guī)銅合金制作耐磨電接觸開關(guān)、冷凝管、艦艇中的管道和減弱機(jī)器噪聲的聲阻元件、軸承、螺栓、螺旋槳葉片、齒輪等構(gòu)件時，能夠有效地提高它們的綜合性能?？焖倌藽u-Cr-Zr合金可以用來制作同時要求具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和疲勞抗力的部件?？焖倌藽u-Pb合金由于性能好、成本低，也可以代替價格較貴的常規(guī)青銅合金（含銅量大于80％）制作軸承?？焖倌惕F基合金工具鋼

工具鋼一般主要通過在馬氏體基體上的碳化物強(qiáng)化而具有較高的硬度和耐磨性能，因此這類鋼中的合金元素一般都比較高，在用常規(guī)方法生產(chǎn)時，鑄錠中也會產(chǎn)生粗大枝晶和嚴(yán)重的枝晶偏析，形成許多很硬且又很脆的粗大共晶碳化物，所以即使經(jīng)過壓縮比為98％的熱加工后仍然會存在因偏析產(chǎn)生的帶狀組織，并且難以在擴(kuò)散退火中完全消除?？焖倌惕F基合金工具鋼

快速凝固不僅可以使合金的晶粒細(xì)化、偏析減小，還能擴(kuò)展合金元素的固溶度和形成亞穩(wěn)相，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂梢栽讦?Fe基體上產(chǎn)生均勻、彌散分布的細(xì)小碳化物，并能在后續(xù)加工和使用過程中基本保持這種良好的微觀組織結(jié)構(gòu)，因而可以省去常規(guī)工藝中使碳化物分布均勻的熱加工工序

。微觀組織結(jié)構(gòu)的改善有效地提高了合金的性能?？焖倌惕F基合金工具鋼

快速凝固提高了工具鋼的韌性因而可以避免熱處理過程中出現(xiàn)裂紋和變形，同時使合金在熱處理過程后達(dá)到最高的硬度和提高了回火二次硬化達(dá)到峰值硬度的溫度，因此明顯改善了合金的耐磨性能，特別是高合金鋼的磨削性能。此外，由于工具鋼在快速凝固后韌性和加工性能的改善，還可以在合金中加入更多的合金元素研制性能更好的新型合金?？焖倌惕F基合金工具鋼

快速凝固高速鋼的實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用主要有三種辦法，第一種是工具鋼經(jīng)過霧化快速凝固后再用熱等靜壓的方法固結(jié)成型。美國的Crucible鋼廠和瑞典的Uddeholm工廠已經(jīng)采用這種方法生產(chǎn)出了快速凝固的CPM和ASP系列高速工具鋼。用這些快速凝固工具鋼生產(chǎn)的刀具在進(jìn)行中間切削加工時，刀具的壽命比常規(guī)高速鋼生產(chǎn)的刀具壽命提高了5倍?？焖倌惕F基合金工具鋼

第二種方法是Aurora鋼廠采用

的，即先通過霧化沉積快速凝固得到密度為標(biāo)準(zhǔn)密度96-98％的薄片，然后再經(jīng)過熱擠壓固結(jié)成型并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)密度。用這種方法生產(chǎn)的M2、M15和M42等高速工具鋼刀具的性能與第一種方法生產(chǎn)的刀具相似，但是生產(chǎn)成本比較低，因而很有發(fā)展前途。英國在二十世紀(jì)八十年代已經(jīng)投資建立了類似的快速凝固工具鋼生產(chǎn)線。

快速凝固鐵基合金工具鋼

第三種方法是對用常規(guī)工具鋼制作的刀具模具進(jìn)行了表面熔化快速凝固處理。如，用激光束或者等離子束使刀具模具表層熔化，同時還可以