[发明专利]一种TiCp/M2高速钢复合材料及其SPS制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术，具体是指一种采用放电等离子烧结(SPS)技术低温快速制备的TiC颗粒增强的高速钢复合材料(TiC_p/M2)及其方法。

背景技术

高速钢由于具有优良的力学性能和耐磨性能，而被广泛的用于制造切削工具、成形工具及耐磨件。采用粉末冶金工艺生产的高速钢(粉末冶金高速钢)可以完全消除组织和成分的不均匀性，大大降低碳化物的颗粒尺寸(1～4μm)，因而比普通高速钢具有更高的硬度、耐磨性和冲击韧性，其制造的切削刀具使用寿命高于普通高速钢(一般2～3倍)，而且在冲击载荷大的场合又可以替代硬质合金刀具。为了拓展粉末冶金高速钢的应用领域，改善其烧结性、提高韧性和抗磨性能，开发出高耐磨性同时兼具良好韧性的高速钢复合材料一直是研究者追求的目标。

TiC由于具有高硬度、高温力学性能稳定及耐磨性好，且与Fe基体之间具有良好的润湿性，添加TiC是提高高速钢耐磨性的有效方法。国内李德超于2007年在哈尔滨工业大学的硕士论文《添加TiC颗粒的M3/2粉末高速钢的组织与磨损性能研究》中提出，添加TiC颗粒可以提高基体材料的耐磨性能，由于没有采用高能球磨技术，TiC含量高于6％时，颗粒便发生了团聚，基体中TiC的有效含量较低，且采用真空烧结需在1300℃烧结1h才能获得较好的相对密度，所得的组织晶粒较粗大，所得的复合材料性能提高不明显。国外研究者提高高速钢复合材料的性能方法主要集中在以下两个方面：(1)加入添加剂，改善复合材料的烧结性，提高致密度。Torralba J M等，于1993年在《Powder Metallurgy》第36卷第1部分上发表的论文《Sinterbility study of PM M2and T15high speed steels reinforced with tungsten and titanium carbides》通过添加WC和TiC来提高高速钢的耐磨性能，并研究了TiC和WC对高速钢烧结性和力学性能的影响，其结果表明，添加TiC有助于抑制组织中晶粒长大，但其烧结中添加了Co来提高烧结致密度，且复合材料的横向断裂强度较低。Oliveira M M等，于1995年在《Powder Metallurgy》第38卷第2部分上发表的论文《Sintering of M3/2high speed steel modified by additions of copper phosphide and titanium based ceramic compounds》对不同TiC含量增强的M3/2高速钢复合材料的烧结行为和性能进行了研究，但是采用真空烧结方法需加入Cu3P添加剂来提高烧结体的致密度，且TiC含量大于10％以后，复合材料的相对密度低于96％，所获得的复合材料抗弯强度相对较低。(2)通过高能球磨技术，提高TiC与高速钢基体的接触面积，改善烧结性能。Z.Y.Liu等，于2001年在《Materials Science and Engineering》第311卷中发表的论文《Mechanical alloying of TiC/M2high speed steel composite powders and sintering investigation》中提出，通过机械合金化制备的TiC/M2复合粉末，可以改善基体材料的烧结性，然而采用真空烧结致密化温度较高、烧结时间较长，在1400℃需烧结1h才能达到98％的相对密度，造成了基体晶粒较粗大。

综上所述，开发高性能的高速钢基复合材料，采用传统的烧结方法，由于烧结温度高、烧结时间长，不利于得到高致密度、细小组织的烧结体，近十余年内快速发展起来的放电等离子烧结技术(spark plasma sintering，SPS)具有烧结时间短、烧结温度低、烧结体致密度高、晶粒细小等特点，对制备高性能的高速钢基复合材料具有重要的意义。迄今，尚无采用高能球磨技术和放电等离子烧结技术相结合的方法制备微细TiC颗粒增强的高速钢复合材料的文献报导。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种TiC颗粒增强的高速钢细晶复合材料及其制备方法，在不加烧结助剂下实现微观组织晶粒细小、增强颗粒分布均匀、近全致密、高硬度、高耐磨性、良好韧性的TiC颗粒增强的高速钢复合材料的低温快速制备。

本发明的目的可以通过如下措施来实现：

一种TiCp/M2高速钢复合材料的SPS制备方法，包括如下步骤：

步骤一：配料和混料