1、工作組制作工作組制作演講人：辛宏輝工作組制作工作組制作噴射成形對鋼組織 的影響工作組制作工作組制作噴射成形原理簡介工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作 噴射成形工藝也稱霧化噴射沉積成形工藝，該工藝是由金屬熔體霧化以及霧化液滴沉積在基板上形成不同形狀工件的兩個基木過程組成。工作組制作工作組制作噴射成形裝置主要由熔化室、霧化室和沉積器構成。熔化室的作用是熔煉金屬，對于活潑金屬可以在真空或保護氣氛下進行熔煉。熔化室中的熔融金屬，經過導液管而進入霧化室內。霧化室的上端是噴嘴.高壓惰性氣體如氮氣或氫氣送入噴嘴.經過環狀排列的小孔或環縫向外高速噴射，使從導流管流出的金屬熔液細流霧化成細小液滴，并形成霧

2、化錐。霧化室的下部是沉積器，從噴嘴飛出的細小液滴經過動量傳遞過程，被高速氣流加速而飛向沉積器。在飛行過程中，細小液滴通過能量傳遞失去熱量而降溫，根據失去熱能的多少液滴抵達沉積器時，可以仍保持液態，也可以已經完全凝固為固態，還可以處于半固態。工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作沉積器可有不同形狀，并以不同方式運動而制成不同形狀的坯件，例如沉積器為圓柱體，橫放在霧化圓錐下，邊旋轉邊向一個方向移動，就能制得管坯沉積器為圓盤時，而對著霧化圓錐，邊旋轉邊向下移動，就能制得錠或實心圓柱體坯件。已有報導如用計算機控制基板的多維運動，可以制得復雜形狀的工件，甚至是不對稱形狀的工件。工作組制作工作組制作噴射

3、成形V6冷作模具鋼的組織結構研究及與鍛造態組織 比較 工作組制作工作組制作引言：引言：采用噴射成形工藝制備了Vanadis6 (V6) 冷作模具鋼,并對不同狀態下的組織結構進行了觀察分析。鑄造態V6鋼存在嚴重的枝晶偏析，這種極差組織是很難通過后續熱加工與熱處理加以改善的；而噴射態V6鋼具有細小的等軸晶組織，碳化物主要分布在基體中，在晶界上也出現了一些形狀不規則的較大尺寸碳化物和少量共晶萊氏體組織，但與鑄造態V6鋼相比，噴射態V6鋼的組織有了極大改善。經過球化退火處理，噴射成形V6鋼獲得了優良的球化組織。根據X射線衍射及TEM試驗觀察分析，對噴射態、淬火態以及回火態V6鋼的相組成進行了鑒別。工作

4、組制作工作組制作 Vanadis6（V6）高合金冷作模具鋼是瑞典Uddeholm公司采用粉末冶金工藝生產的V系列模具鋼中的一種，與廣泛應用的Vanadis 4（V4）鋼相比14，其碳含量和釩含量均有明顯增加，分別高達2.1%和5.4%。V6鋼屬鉻-鉬-釩系冷作模具鋼，具有優良的綜合性能，如非常高的耐磨性和良好的韌性；高的淬透性和抗壓強度。此外，該鋼淬回火后的尺寸穩定性明顯優于傳統鑄造工藝生產的冷作模具鋼和高速鋼，V6鋼的這一特點也意味著它是一種非常適合于在其上進行CVD和PVD涂層的工具鋼。由于V6鋼中碳和合金含量較高，使用傳統鑄造工藝生產，容易產生嚴重的成分偏析、粗大碳化物以及網狀碳化物。目

5、前只能用粉末冶金工藝生產V6鋼，但工藝帶來的生產成本昂貴和生產工藝復雜的不足，卻成了制約該類鋼種規模生產和推廣應用的主要原因。因此，尋求一種既經濟又可行的生產V6鋼的工藝技術以滿足市場之需求，是一項頗有意義并具有實際應用背景的研究工作。工作組制作工作組制作眾所周知，噴射成形是一項新穎的快速凝固技術，在材料制造與加工方面極具潛力。該技術不僅能改善傳統材料的組織與性能，而且更大優勢是能開發新型材料。根據噴射成形工藝具有快速凝固特點，將它應用于高合金冷作模具鋼生產，其優勢會得到充分顯現。基于上述考慮，作者采用噴射成形這一有效工藝手段，制取了V6鋼，并對試驗材料的基本組織、以及經過后續熱加工和熱處理后

6、的組織結構演變進行了研究。本文只是此項研究工作的初步試驗結果及分析討論。工作組制作工作組制作1. 試驗材料與方法 試驗用材料為噴射成形V6高合金冷作模具鋼，其合金成分特點是碳和合金含量比廣泛應用的V4鋼更高。V6鋼母合金是在寶鋼研究院50kg真空感應爐中冶煉，其化學成分（質量分數%）為2.1C，6.8Cr，1.5Mo，5.4V，1.0Si，0.4Mn，0.03S，0.03P。采用多孔模殼澆注的圓棒，經過噴砂處理去掉外表面氧化皮，作為噴射成形用母合金原料。噴射成形制取的V6鋼坯件形狀呈高斯分布，中間最高度約30mm，直徑約130mm，重量1.8kg左右。 采用金相顯微鏡、電子顯微鏡（TEM）、以

7、及X射線衍射儀，對取自于鑄造V6鋼母合金、噴射態V6鋼、鍛造態V6鋼、退火態V6鋼以及淬回火態V6鋼試樣的組織結構進行了觀察分析研究。工作組制作工作組制作2. 試驗結果與分析2.1 噴射態V6鋼組織結構分析 V6鋼由于碳和合金含量較高，采用傳統鑄造工藝生產因冷卻速度緩慢，而導致嚴重的成分偏析和共晶萊氏體的產生，通過后續熱加工和熱處理，雖能減輕缺陷，但改善的程度極為有限。圖1(a)和圖1(b)分別給出鑄造態和噴射態V6鋼的組織照片。由圖1(a)可見，鑄造工藝制備的V6鋼存在嚴重的枝晶偏析，這種極差組織是很難通過后續熱加工與熱處理加以改善的。噴射態V6鋼具有細小的等軸晶，細小碳化物主要分布在基體上

8、，在晶界上也出現了一些形狀不規則的較大尺寸碳化物和少量共晶萊氏體組織，如圖1(b)所示。盡管如此，但與鑄造態V6鋼相比，噴射態V6鋼的組織有了極大改善。工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作圖2所示為噴射態V6鋼試樣X射線衍射譜，根據相鑒定已基本確認噴射態V6鋼組成相為奧氏體和馬氏體，而衍射譜上還剩余一根d值為0.2403nm的線條無法確認所屬相。雖然從圖1(b)金相照片上已能清楚看到噴射態V6鋼試樣中存在較多碳化物，但在X射線衍射試驗上卻未能確認碳化物的類型。因此，有必要通過TEM試驗來彌補金相觀察和X射線衍射分析的不足。工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作 圖3所

9、示為噴射態V6鋼組織的TEM形貌像。圖3(a)為片狀馬氏體基體中析出細小成團分布碳化物，而圖3(b)則為片狀馬氏體基體中分布尺寸較大的近球形碳化物的組織形貌。馬氏體是母相奧氏體在冷卻或變形過程中, 按無擴散的、以慣習面為不變平面的、共格切變的固態相變產物。影響馬氏體形態的因素主要有：Ms點、碳及合金元素的含量、奧氏體的強度、奧氏體的層錯能、Ms點以上的冷卻速度等。其中含碳量對馬氏體組織形態的影響規律可歸納為：含碳量低于0.2%時，全部是板條馬氏體，其亞結構為位錯；含碳量在0.2%1.0%之間時為板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織，亞結構為位錯加孿晶，且隨著含碳量的增加，片狀馬氏體逐漸增多；含碳量

10、大于1.0%時，幾乎全部形成片狀馬氏體，亞結構以孿晶為主, 也有可能含有少量位錯。V6鋼碳含量高達2.1%，形成的馬氏體應該是亞結構為孿晶的片狀馬氏體，這與圖3所示的馬氏體形貌非常吻合。工作組制作工作組制作圖4所示為噴射態V6鋼試樣中M7C3碳化物形貌像及電子衍射花樣，其中圖4(a)為明場像，圖4(b)為暗場像，圖4(c)為014晶帶衍射花樣。圖5為噴射態V6鋼試樣中M23C6碳化物形貌像及電子衍射花樣，其中圖5(a)和圖5(b)分別對應碳化物的明場像與暗場像，而圖5(c)則為129晶帶電子衍射花樣。 根據X射線衍射以及TEM試驗結果綜合分析，已基本確認噴射態V6鋼的相組成是由奧氏體、馬氏體、

11、以及碳化物構成，其中碳化物主要有M7C3和M23C6兩種類型，另外，還有一種尺寸小于50nm的碳化物，推測可能是MC類型的VC碳化物。工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作2.2 V6鋼的鍛后組織觀察 圖6為噴射成形V6鋼鍛造后微觀組織的一組TEM形貌像，其中圖6(a)所顯為共析組織與彌散分布的細小碳化物相，圖6(b)為晶內未溶解碳化物顆粒的形貌像。圖7為同一鍛造態試樣中微觀組織的另一組TEM形貌像，其中圖7(a)顯示碳化物顆粒與位錯線塞積，圖7(b)為晶內孿晶馬氏體形貌像。工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作V6鋼的鍛造加熱溫度為10701080，在此溫度范圍，尚有

12、部分碳化物未溶入奧氏體中，在鍛造后的冷卻過程中依然被保留下來。鋼在緩慢冷卻過程中發生了共析轉變，與此同時，原先固溶于奧氏體中的碳和合金元素以碳化物形式析出。TEM觀察表明：V6鋼鍛造加工后的組織較復雜，有些區域為共析反應析出的呈條帶狀分布的M23C6碳化物，并在其周圍析出非常細小的二次碳化物（如圖6(a)所示）；有些區域為孿晶馬氏體（如圖7(b)所示），也有位錯密度很高的區域，類似于胞狀組織，在碳化物處受阻發生纏結形成胞壁（如圖7(a)所示），表明鍛造加工產生的變形組織尚未消除；另外，還可觀察到未溶解一次碳化物（如圖6(b)所示）。電子衍射花樣分析表明，圖8所示的球形碳化物主要為M7C3型碳化

13、物，而圖9中看到的斷續分布的條狀碳化物為共析反應析出的M23C6型碳化物。碳化物對應的明、暗場像及電子衍射花樣分別如圖8和圖9所示。工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作2.3 退火與淬回火組織結構分析 噴射態V6鋼經過鍛造加工以及去應力退火處理，原先碳化物不均勻分布及少量共晶萊氏體組織明顯得到改善。為了給后續淬回火處理創造組織條件，需要進行球化退火處理，以期獲得一個理想的球化組織。圖10所示為噴射成形V6鋼球化退火后的金相組織照片，由圖10可見，球化退火處理后的組織比較均勻，碳化物彌散分布于基體中，其中近似于球形的小尺寸碳化物占大多數，系二次析出碳化物；另有少量不規則形

14、狀的未溶一次碳化物。工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作圖11給出了噴射成形V6鋼淬火態試樣X射線衍射譜，從衍射譜上可看到，除了馬氏體和奧氏體衍射線條外，還出現了幾根強度較高的衍射線條。經分析確認，V6鋼淬火態主要相由馬氏體、殘余奧氏體以及M7C3型和V8C7型碳化物組成。工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作噴射成形V6鋼淬火態樣品的TEM觀察表明：片狀馬氏體基體上既有大塊碳化物（如圖12a所示），又有成團分布的細小碳化物顆粒（如圖12(b)所示）。圖13(a)所示為以孿晶亞結構為特征的片狀馬氏體形貌，圖13(b)和圖13(c)分別為M3C碳化物的明場像和暗場像，圖13(d)為 012

15、晶帶電子衍射花樣。工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作由V6鋼淬火后再經回火處理試樣拍攝的TEM照片上，可以清晰看到，細小碳化物析出明顯增加，圖14(a)至圖14(c)這組TEM照片非常清楚地展示了這種微觀組織形貌特征，其中圖14(b)尤為突出。圖14(d)則為大塊碳化物顆粒分布于回火馬氏體基體上的形貌像，這種大尺寸碳化物顆粒很可能是具有簡單立方結構的V8C7相，X射線衍射分析已經證明此種碳化物的存在，表明上述推測是合理的。工作組制作工作組制作工作組制作工作組制作結合X射線衍射試驗以及TEM觀察分析，基本確認了噴射成形V6鋼淬火態和回火態試樣的相組成：淬火態試樣具有馬氏體、殘余奧氏體、M7

16、C3型、V8C7型、以及M3C型碳化物相；而回火態試樣的組成相由馬氏體、殘余奧氏體、M7C3型、V8C7型碳化物構成。工作組制作工作組制作3 結論結論（1） 傳統鑄造工藝制備的V6冷作模具鋼存在嚴重的枝晶偏析組織，這種極差組織是很難通過后續熱加工和熱處理加以改善的；而噴射成形V6鋼具有細小的等軸晶組織，碳化物主要分布在基體中，在晶界上也出現了一些形狀不規則的較大尺寸碳化物和少量共晶萊氏體組織，但與鑄造V6鋼相比，噴射態V6鋼的組織有了極大改善。（2） 根據X射線衍射以及TEM試驗結果分析，已確認噴射態V6鋼的相組成是由奧氏體、馬氏體、以及碳化物構成，其中碳化物主要有M7C3和M23C6兩種類型

17、，另外，還有一種尺寸小于50nm的碳化物，推測可能是MC類型的VC碳化物。（3） 噴射成形V6鋼淬火態試樣的相組成由馬氏體、殘余奧氏體、M7C3型、V8C7型、M3C型碳化物構成；回火態試樣的相組成由馬氏體、殘余奧氏體、M7C3型、V8C7型碳化物構成。工作組制作工作組制作課下研究：噴射成形在表面熱處理中的應用工作組制作工作組制作注釋CVD：化學氣相沉積法PVD：物理氣相沉積法back工作組制作工作組制作注釋冷作模具鋼：金屬在冷態下變形所用的模具鋼，工作溫度不高，主要承受高的壓力或沖擊力，金屬之間有強烈摩擦，所以冷作模具鋼要求具有高硬度、高耐磨性、及一定韌性。back工作組制作工作組制作注釋作

18、者：史海生，吳杏芳，章靖國 寶鋼研究院back工作組制作工作組制作注釋X射線衍射譜：可以測得晶體形狀、尺寸、顯微畸變、位錯密度、層錯。back工作組制作工作組制作思考為什么噴射成形的合金需要X射線衍射譜及TEM電鏡來判斷其金像組織，但鑄態的用金相顯微鏡及TEM電鏡即可？back工作組制作工作組制作注釋注釋高速鋼的碳化物偏析一次共晶碳化物呈粗大的魚骨狀分布于晶界，具有很大的脆性和極低的塑性。在鋼錠的中心部位，這種碳化物的分布數量較多，且晶粒粗大。在鑄態組織中碳化物的分布極不均勻的。碳化物的這種不均勻分布通常叫做碳化物偏析，鋼錠越大，碳化物偏析越嚴重。二次碳化物大都是圍繞晶界析出而形成網絡狀，它也使鋼的機械性能降低。back工作組制作工作組制作例如：(1)工具的各向異性變形由于高速鋼中碳化物偏析，在熱處理過程中和使用時因碳化物分布方向不同而使工具產生不同的變形，如伸長、縮短、撓曲等。變形程度與碳化物偏析程度有關，且碳化物顆粒越粗變形就越嚴重。同時，淬火溫度越高，冷卻速度越快，變形會更加嚴重。(2)不均勻的碳化物分布引起較高的應力集中而產生裂紋。這種應力集中是由于在加熱時形成的奧氏體晶粒的不均勻性引起的。(3)容易引起局部過熱鋼中帶狀碳化物越嚴重，分布越不均勻，碳化物的顆粒越粗，則在加熱時奧氏體組織越不均勻，在合金元素含量較低的區域其組織很