納米陶瓷相增強鋼基模具材料的研制

賈林玲

摘 要：本文提出的納米陶瓷相增強粉末冶金熱作模具材料研究，在低碳低合金鋼基礎(chǔ)上，采用經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的具有復合結(jié)構(gòu)的超微硬質(zhì)相，通過粉末冶金制備工藝，實現(xiàn)鋼基體內(nèi)硬質(zhì)相的均勻分布和彌散強化，并結(jié)合熱處理工藝的優(yōu)化，研制出高強高耐磨長壽命的熱作模具鋼新品種，滿足鋁型材熱擠壓用高品質(zhì)模具鋼需求。

關(guān)鍵詞：納米陶瓷;模具鋼;復合材料

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0061-02

0 前言

進入21世紀以來，我國鋁型材產(chǎn)、銷量持續(xù)高速增長。據(jù)統(tǒng)計根據(jù)中國幕墻網(wǎng)對國家統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)，2014年全國鋁型材產(chǎn)量達到4400萬噸，同比增長18.91%。已成為全球鋁材生產(chǎn)和消費的第一大國。與此同時，我國鋁型材擠壓模具的產(chǎn)銷量也在逐年快速增長。然而，制造鋁型材擠壓摸具的鋼材在很大程度上仍然依賴進口。據(jù)中國模具工業(yè)協(xié)會資料，2012年我國的模具鋼消費額達到1170億元，2013年我國模具工業(yè)的總產(chǎn)值1.845萬億元，銷售收入1816.20億元，2014年銷售收入超過1850億元，2015年我國模具行業(yè)總銷售額將突破3500億元。我國連續(xù)7年成為全球模具鋼消費量最大的國家，占全球消費量的23%，同期國內(nèi)模具鋼產(chǎn)值只有750億元，雖然已經(jīng)是全球模具鋼生產(chǎn)大國，但是供需缺口達到850億元，進口依存度超過50%，且高檔模具和出口模具的材料幾乎全部依靠進口。因此，研制一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的熱作模具鋼，滿足我國鋁型材擠壓模具的需求，具有十分重要的意義[1]。

本文提出的納米陶瓷相增強粉末冶金熱作模具材料研究，在低碳低合金鋼基礎(chǔ)上，采用經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的具有復合結(jié)構(gòu)的超微硬質(zhì)相，通過粉末冶金制備工藝，實現(xiàn)鋼基體內(nèi)硬質(zhì)相的均勻分布和彌散強化，并結(jié)合熱處理工藝的優(yōu)化，研制出高強高耐磨長壽命的熱作模具鋼新品種，滿足鋁型材熱擠壓用高品質(zhì)模具鋼需求。

1 國內(nèi)外概況

陶瓷材料的熱穩(wěn)定性和耐磨性極佳，是制造成型模具的理想材料，很有發(fā)展前景，但其韌性差，因此還沒有在模具工業(yè)方面得到廣泛應用。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，陶瓷模具的研究尚處于研究開發(fā)階段，應用于模具工業(yè)的陶瓷材料種類很少、能應用的模具領(lǐng)域很窄。陶瓷材料高硬度、耐磨性、耐熱性等優(yōu)良性[2-3]因其韌性較差而遠未得以發(fā)揮。研究表明，納微米復合技術(shù)是解決陶瓷材料脆性問題的重要手段。

此外，陶瓷模具材料作為一種復合材料，其力學性能是組分材料和微觀結(jié)構(gòu)共同響應的結(jié)果，由于陶瓷模具材料作為復合材料具有可設(shè)計性及結(jié)構(gòu)、材料、工藝不可分的特點，通過組分和制備工藝的優(yōu)化可改善材料微觀組織，從而改善材料的力學性能。計算智能（Computational Intelligence，CI）是由美國學者Bezdekek在1992年首次提出的。計算智能是信息科學與生命科學相互交叉、相互滲透和相互促進的產(chǎn)物，涉及神經(jīng)計算、模糊計算、進化計算等研究領(lǐng)域。計算智能技術(shù)應用于現(xiàn)代陶瓷材料設(shè)計，可以擺脫通過大量實驗進行組分和制備工藝優(yōu)化的現(xiàn)有陶瓷工模具材料力學性能模式，用較少的實驗獲得較為理想的材料，提高陶瓷模具材料的開發(fā)效率，實現(xiàn)按照力學性能預測工模具材料組分，形成工模具材料開發(fā)的新模式。

2 研究開發(fā)內(nèi)容、方法、技術(shù)路線

2.1 研究開發(fā)內(nèi)容

2.1.1 鋼基體強度與耐磨性提高研究

要突破粉末冶金鋼基耐熱模具材料的關(guān)鍵制備技術(shù)，使新型熱作模具材料的強度和耐磨性均超過H13熱作模具鋼，首先需要解決的第一個問題是提高鋼基體強度與耐磨性。在低碳低合金的鋼基礎(chǔ)上，采用經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的具有復合機構(gòu)的超微硬質(zhì)相，通過多尺度彌散硬質(zhì)相粒子與時效析出相粒子的協(xié)同作用，提高鋼基體的強度和耐磨性。

2.1.2 復合材料韌性提高研究

工作過程中，模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過程中的折斷、崩裂等形式的損壞，要求模具鋼具有一定的韌性。模具鋼的化學成分，晶粒度，純凈度，碳化物和夾雜物等的數(shù)量、形貌、尺寸大小及分布情況，以及模具鋼的熱處理制度和熱處理后得到的金相組織等因素都對鋼的韌性帶來很大的影響。通過控制硬質(zhì)相的尺度與項目和鋼基體的晶粒度，提高符合材料的韌性。

2.1.3 界面處產(chǎn)生裂紋傾向降低研究

要研發(fā)一種納米TiC顆粒增強的鋼基粉末冶金耐熱磨具材料，如何降低界面處產(chǎn)生裂縫傾向也是其研究的重點內(nèi)容。通過粉末冶金制備工藝，實現(xiàn)鋼基體內(nèi)硬質(zhì)相的均勻分布和彌散強化，通過硬質(zhì)相粒子的表面改性，改善其與基體的界面強度，降低界面處產(chǎn)生裂紋的傾向，并結(jié)合熱處理工藝的優(yōu)化，研制出高強高耐磨長壽命的熱作模具鋼新品種。

2.2 特色和創(chuàng)新之處

2.2.1 實現(xiàn)界面裂紋傾向的有效降低

通過陶瓷相離子的表面改性、納米陶瓷粉末的表面改性，提高陶瓷相與基體、納米相與鋼基體界面結(jié)合強度，有限降低了界面處產(chǎn)生裂紋的傾向。

2.2.2 達到復合材料韌性、磨具材料強度和耐磨性的高效提高

設(shè)計一種低成本的納米TiC顆粒增強的鋼基粉末冶金耐熱模具材料，通過控制陶瓷相的尺度與形貌和鋼基體的晶粒度等多種機制協(xié)同作用，提高了復合材料的韌性;通過多尺度彌散硬質(zhì)相粒子與時效析出相粒子的協(xié)同作用，突破粉末冶金鋼基耐熱模具材料的全致密技術(shù)，使熱作模具材料的強度和耐磨性均超過H13熱作模具鋼，降低鋁擠壓模具制造成本和鋁型材加工成本。

2.3 達到的社會效益

進行納米陶瓷相增強鋼基模具材料的研制與產(chǎn)業(yè)化研究，將對技術(shù)創(chuàng)新、人才集聚、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面起到積極促進作用。一是技術(shù)創(chuàng)新。本文提出的納米陶瓷相增強粉末冶金熱作模具鋼研究，突破了傳統(tǒng)研究思路和粉末冶金鋼基耐熱模具材料的全致密技術(shù)，在低碳低合金鋼基礎(chǔ)上，采用經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的具有復合結(jié)構(gòu)的超微硬質(zhì)相，通過粉末冶金制備工藝，實現(xiàn)鋼基體內(nèi)硬質(zhì)相的均勻分布和彌散強化，并結(jié)合熱處理工藝的優(yōu)化，研制出高強高耐磨長壽命的熱作模具鋼新品種，滿足鋁型材熱擠壓用高品質(zhì)模具鋼的需求。二是人才集聚。納米陶瓷相增強鋼基模具材料的研制與產(chǎn)業(yè)化將吸引高科技人才的加入，圍繞復合材料領(lǐng)域，不斷加快領(lǐng)軍型人才引進，加大人才培養(yǎng)力度，促進江門市高端人才數(shù)量增加，人才集聚效益充分顯現(xiàn)，有效形成人才引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)業(yè)集聚人才局面。三是產(chǎn)業(yè)帶動。項目可帶動在汽車、能源、機械、電子、信息、航空航天工業(yè)和日常生活用品等相關(guān)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可謂這些行業(yè)提供高品質(zhì)的納米陶瓷相增強鋼基模具材料，從而提高相關(guān)產(chǎn)品的國際競爭力。

2.4 采用的方法、技術(shù)路線以及工藝流程

首先進行納米陶瓷相增強鋼基復合材料成分與組織設(shè)計，接著，通過粉碎、研磨等手段得到基體鋼粉末和納米陶瓷粉末，對納米陶瓷粉末進行表面改性使其具有更好融合性，完成原材料預處理工序。然后，將基體鋼粉末與納米陶瓷粉末混合一起攪拌、球磨，實現(xiàn)鋼粉末與納米陶瓷粉末混合體物理成型，將物理成型混合體進行壓力成型、擠出成型，實現(xiàn)混合體化學成型，到此完成復合材料成型階段。最后，通過多尺度彌散硬質(zhì)相粒子與時效析出相粒子的協(xié)同作用，提高鋼基體的強度和耐磨性，通過控制硬質(zhì)相的尺度與形貌和鋼基體的晶粒度，提高復合材料的韌性;通過硬質(zhì)相粒子的表面改性，改善其與基體的界面強度，降低界面處產(chǎn)生裂紋的傾向，研制出高強高耐磨長壽命的熱作模具材料新品種。技術(shù)路線圖見圖1所示。

3 結(jié)語

通過陶瓷相離子的表面改性、納米陶瓷粉末的表面改性，提高陶瓷相與基體、納米相與鋼基體界面結(jié)合強度，有限降低了界面處產(chǎn)生裂紋的傾向。此外，設(shè)計了一種低成本的納米TiC顆粒增強的鋼基粉末冶金耐熱模具材料達到復合材料韌性、模具材料強度和耐磨性的高效提高。

參考文獻

[1] 張國賞，魏世忠，韓明儒，邪建東，高義民.顆粒增強鋼鐵基復合材料[M].北京：科學出版社，2013.

[2] 孟兆強，黃德信，馮濤，等.3Y-TZP粉體燒結(jié)性能研究[J].人工晶體學報，2009，38（增刊）：375-378.

[3] 劉軍，周飛.熱擠壓模用陶瓷材料的性能與應用研究[J].稀有金屬材料與工程，2003，32（3）：232-235.