摘要
M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)是一种典型的通用型高速钢，具有较高的硬度和耐磨性，因此被广泛应用于切削刀具的制造。由于切削刀具长时间处于高速摩擦中，经常出现磨损、脆性断裂和机械疲劳失效等问题，本项研究旨在探索如何实现更高的硬度和更佳的耐磨性。本次实验采取以下两种途径改进高速钢的组织和性能:一是改进高速钢生产工艺:二是优化高速钢的成分。另外，本课题还研究了回火热处理对样品的组织和性能的影响。概括起来本文的主要内容为利用激光增材制造(LAM)技术，分别制备出M2高速钢、M2+Ta和M2+Mo合金试样，并用真空炉对各试样进行不同方式的热处理。通过X射线衍射实验(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)分析、能谱(EDS)分析、显微硬度测试、夏比冲击测试和摩擦磨损测试对制备出的样品的显微组织和力学性能进行观察与测量。 实验结果表明，Ta被添加前后，M2高速钢的物相组成大致相同，主要由马氏体、残余奥氏体和碳化物组成，但物相中多出了TaC物相。另外，碳化物形貌由羽毛状、片层状逐渐向短棒状和块状转变，残余奥氏体的数量也有不同程度的减少。M2+Ta合金发生了晶粒细化，其中M2+1％Ta和M2+2％Ta两个样品晶粒细化程度最高，分别达到了33.8％和38.5％。另外，M2高速钢硬度得到了明显的提高。其中M2+1％Ta的硬度最高，达到了782±5HV，提高了7.2％。M2+1％Ta和M2+2％Ta两个样品冲击韧性分别提升了12.4％和17.4％。Ta对M2高速钢的耐磨性也有很大程度的提高，M2+1％Ta耐磨性最好，相对M2高速钢而言磨损率降低了75.7％。550℃-600℃三次回火处理有效减少了残余奥氏体的数量，改善了碳化物形态。同时可以进一步细化晶粒，并使细小碳化物弥散的钉扎在基体中。所有样品都在550℃-600℃三次回火后达到最高硬度，同时回火热处理也进一步提高了样品的韧性。而回火后的磨损形式基本变为磨粒磨损，耐磨性下降。 Mo被添加之后，M2高速钢物相组成大致相同，但Mo2C大量增加，回火热处理之后的物相变化也与M2高速钢相同。SEM表征的微观结构说明选用适当添加量的Mo和回火温度之后，Mo2C碳化物含量增多，同时可以促进M2高速钢的晶粒细化，也会加快马氏体向铁素体转变。M2高速钢平均硬度受到Mo的影响不大，但所有M2+Mo合金经过回火热处理后的硬度都有大幅增加，其M2+2％Mo经过550℃回火三次之后的平均硬度达到了868.6HV。添加Mo对M2高速钢的冲击韧性有巨大的影响:当1％Mo、2％Mo和3％Mo被添加后，M2高速钢的冲击韧性分别提高了76.3％、85.8％和104.1％。而经过回火之后的冲击韧性有高有低，M2+2％Mo经过4500C三次回火之后的冲击韧性值最高，达到3.63J/cm2。随着冲击韧性值的大幅提高，M2+Mo沉积态的耐磨性有所下降，但经过回火之后耐磨性都得到了提高。
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