納米陶瓷相增強鋼基模具材料的研制
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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上，采用經優化設計的具有復合結構的超微硬質相，通過粉末冶金制備工藝，實現鋼基體內硬質相的均勻分布和彌散強化，并結合熱處理工藝的優化，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模具鋼需求。
關鍵詞：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、銷量持續高速增長。據統計根據中國幕墻網對國家統計局公布數據，2014年全國鋁型材產量達到4400萬噸，同比增長18.91%。已成為全球鋁材生產和消費的第一大國。與此同時，我國鋁型材擠壓模具的產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。據中國模具工業協會資料，2012年我國的模具鋼消費額達到1170億元，2013年我國模具工業的總產值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年我國模具行業總銷售額將突破3500億元。我國連續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%，同期國內模具鋼產值只有750億元，雖然已經是全球模具鋼生產大國，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權的熱作模具鋼，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上，采用經優化設計的具有復合結構的超微硬質相，通過粉末冶金制備工藝，實現鋼基體內硬質相的均勻分布和彌散強化，并結合熱處理工藝的優化，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模具鋼需求。
1 國內外概況
陶瓷材料的熱穩定性和耐磨性極佳，是制造成型模具的理想材料，很有發展前景，但其韌性差，因此還沒有在模具工業方面得到廣泛應用。從國內外研究現狀來看，陶瓷模具的研究尚處于研究開發階段，應用于模具工業的陶瓷材料種類很少、能應用的模具領域很窄。陶瓷材料高硬度、耐磨性、耐熱性等優良性[2-3]因其韌性較差而遠未得以發揮。研究表明，納微米復合技術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構共同響應的結果，由于陶瓷模具材料作為復合材料具有可設計性及結構、材料、工藝不可分的特點，通過組分和制備工藝的優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物，涉及神經計算、模糊計算、進化計算等研究領域。計算智能技術應用于現代陶瓷材料設計，可以擺脫通過大量實驗進行組分和制備工藝優化的現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效率，實現按照力學性能預測工模具材料組分，形成工模具材料開發的新模式。
2 研究開發內容、方法、技術路線
2.1 研究開發內容
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鍵制備技術，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上，采用經優化設計的具有復合機構的超微硬質相，通過多尺度彌散硬質相粒子與時效析出相粒子的協同作用，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 界面處產生裂紋傾向降低研究
要研發一種納米TiC顆粒增強的鋼基粉末冶金耐熱磨具材料，如何降低界面處產生裂縫傾向也是其研究的重點內容。通過粉末冶金制備工藝，實現鋼基體內硬質相的均勻分布和彌散強化，通過硬質相粒子的表面改性，改善其與基體的界面強度，降低界面處產生裂紋的傾向，并結合熱處理工藝的優化，研制出高強高耐磨長壽命的熱作模具鋼新品種。
2.2 特色和創新之處
2.2.1 實現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合強度，有限降低了界面處產生裂紋的傾向。
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同作用，提高了復合材料的韌性;通過多尺度彌散硬質相粒子與時效析出相粒子的協同作用，突破粉末冶金鋼基耐熱模具材料的全致密技術，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業化研究，將對技術創新、人才集聚、產業發展等方面起到積極促進作用。一是技術創新。本文提出的納米陶瓷相增強粉末冶金熱作模具鋼研究，突破了傳統研究思路和粉末冶金鋼基耐熱模具材料的全致密技術，在低碳低合金鋼基礎上，采用經優化設計的具有復合結構的超微硬質相，通過粉末冶金制備工藝，實現鋼基體內硬質相的均勻分布和彌散強化，并結合熱處理工藝的優化，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業化將吸引高科技人才的加入，圍繞復合材料領域，不斷加快領軍型人才引進，加大人才培養力度，促進江門市高端人才數量增加，人才集聚效益充分顯現，有效形成人才引領產業、產業集聚人才局面。三是產業帶動。項目可帶動在汽車、能源、機械、電子、信息、航空航天工業和日常生活用品等相關行業和產業的發展，可謂這些行業提供高品質的納米陶瓷相增強鋼基模具材料，從而提高相關產品的國際競爭力。
2.4 采用的方法、技術路線以及工藝流程
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相粒子與時效析出相粒子的協同作用，提高鋼基體的強度和耐磨性，通過控制硬質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。技術路線圖見圖1所示。
3 結語
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合強度，有限降低了界面處產生裂紋的傾向。此外，設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.
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