摘要
精冲广泛应用于各个行业，但是模具常发生磨损、断裂等失效，严重降低了模具的使用寿命，成为制约精冲行业发展的瓶颈。粉末冶金高速钢具有晶粒细小、碳化物细小且弥散分布的组织特点，其越来越多的应用于精冲模具。但目前对粉末冶金高速钢的微观组织与力学性能之间的关联认识不够深入。因此，本文以一种应用于精冲行业的粉末冶金高速钢 PM20 为研究对象，研究热处理过程中微观组织演变对摩擦磨损和冲击韧性的影响，为提高精冲模具寿命提供理论基础，获得以下主要结论： （1）分析了PM20中碳化物和马氏体组织特点，PM20中碳化物呈球状弥散均匀分布，基体为板条马氏体、孪晶马氏体和少量残余奥氏体。当淬火温度从1025 ℃升高至1180 ℃，碳化物体积分数从15.76%减少至10.48%，碳化物对晶界钉扎作用减弱，晶粒出现粗化现象；碳化物体积分数减小导致强度增量减小20%，但固溶强化效应增强，试样的抗压强度从3225 MPa增加至 3533 MPa。 （2）研究了回火温度及冷处理对PM20微观组织和力学性能的影响。随回火温度升高，碳化物体积分数增加、部分碳化物粗化，马氏体板条粗化；当回火温度从530℃升高到600℃，抗压强度从3831 MPa降至3125 MPa。与传统热处理相比，在回火前进行冷处理，促进了纳米碳化物生成，其可以作为碳化物形核的核心，促进回火过程中超细碳化物析出，在-196 ℃和-80 ℃进行深冷处理，碳化物体积分数从8.57% 分别增加至 9.13%和 9.11%。冷处理细化了马氏体板条束，降低马氏体含碳量，试样的抗压强度从3831 MPa分别降至3625 MPa和3612 MPa。 （3）研究了微观组织对PM20耐磨损性能的影响。随淬火温度升高和回火温度降低，耐磨损性能升高；而回火前增加冷处理，试样硬度降低，但仍具有较好的耐磨损性能。磨损后，试样均表现出典型的磨粒磨损的特征，并伴有少量的疲劳剥落和氧化磨损。摩擦接触表面受到的应力大于材料剪切屈服强度，马氏体发生塑性变形，VC能阻碍磨粒对基体的切削，M6C 则被磨粒切削。塑性变形驱动的晶粒旋转和晶界迁移导致摩擦后马氏体晶粒长大，而碳化物和溶质偏析阻碍晶粒长大，导致晶粒长大出现不连续的现象。 （4）研究了微观组织对冲击韧性的影响以及PM20高速钢的冲击断裂特征。淬火温度越低、回火温度越高，冲击韧性值越大；回火前在-196 ℃和-80 ℃进行冷处理，试样的冲击韧性值从46.1J/cm2分别增大至52.7 J/cm2，57.8 J/cm2。PM20高速钢在冲击断裂过程中，基体发生了准解理断裂和微塑性变形，碳化物则表现出解理断裂或破碎。马氏体与VC呈半共格界面关系，与M6C非共格，微裂纹易在M6C内部或基体界面产生，原奥氏体晶界能有效阻碍裂纹扩展。
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