纳米陶瓷相增强钢基模具材料的研制
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摘 要：本文提出的纳米陶瓷相增强粉末冶金热作模具材料研究，在低碳低合金钢基础上，采用经优化设计的具有复合结构的超微硬质相，通过粉末冶金制备工艺，实现钢基体内硬质相的均匀分布和弥散强化，并结合热处理工艺的优化，研制出高强高耐磨长寿命的热作模具钢新品种，满足铝型材热挤压用高品质模具钢需求。
关键词：纳米陶瓷;模具钢;复合材料
中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0061-02
0 前言
进入21世纪以来，我国铝型材产、销量持续高速增长。据统计根据中国幕墙网对国家统计局公布数据，2014年全国铝型材产量达到4400万吨，同比增长18.91%。已成为全球铝材生产和消费的第一大国。与此同时，我国铝型材挤压模具的产销量也在逐年快速增长。然而，制造铝型材挤压摸具的钢材在很大程度上仍然依赖进口。据中国模具工业协会资料，2012年我国的模具钢消费额达到1170亿元，2013年我国模具工业的总产值1.845万亿元，销售收入1816.20亿元，2014年销售收入超过1850亿元，2015年我国模具行业总销售额将突破3500亿元。我国连续7年成为全球模具钢消费量最大的国家，占全球消费量的23%，同期国内模具钢产值只有750亿元，虽然已经是全球模具钢生产大国，但是供需缺口达到850亿元，进口依存度超过50%，且高档模具和出口模具的材料几乎全部依靠进口。因此，研制一种具有自主知识产权的热作模具钢，满足我国铝型材挤压模具的需求，具有十分重要的意义[1]。
本文提出的纳米陶瓷相增强粉末冶金热作模具材料研究，在低碳低合金钢基础上，采用经优化设计的具有复合结构的超微硬质相，通过粉末冶金制备工艺，实现钢基体内硬质相的均匀分布和弥散强化，并结合热处理工艺的优化，研制出高强高耐磨长寿命的热作模具钢新品种，满足铝型材热挤压用高品质模具钢需求。
1 国内外概况
陶瓷材料的热稳定性和耐磨性极佳，是制造成型模具的理想材料，很有发展前景，但其韧性差，因此还没有在模具工业方面得到广泛应用。从国内外研究现状来看，陶瓷模具的研究尚处于研究开发阶段，应用于模具工业的陶瓷材料种类很少、能应用的模具领域很窄。陶瓷材料高硬度、耐磨性、耐热性等优良性[2-3]因其韧性较差而远未得以发挥。研究表明，纳微米复合技术是解决陶瓷材料脆性问题的重要手段。
此外，陶瓷模具材料作为一种复合材料，其力学性能是组分材料和微观结构共同响应的结果，由于陶瓷模具材料作为复合材料具有可设计性及结构、材料、工艺不可分的特点，通过组分和制备工艺的优化可改善材料微观组织，从而改善材料的力学性能。计算智能（Computational Intelligence，CI）是由美国学者Bezdekek在1992年首次提出的。计算智能是信息科学与生命科学相互交叉、相互渗透和相互促进的产物，涉及神经计算、模糊计算、进化计算等研究领域。计算智能技术应用于现代陶瓷材料设计，可以摆脱通过大量实验进行组分和制备工艺优化的现有陶瓷工模具材料力学性能模式，用较少的实验获得较为理想的材料，提高陶瓷模具材料的开发效率，实现按照力学性能预测工模具材料组分，形成工模具材料开发的新模式。
2 研究开发内容、方法、技术路线
2.1 研究开发内容
2.1.1 钢基体强度与耐磨性提高研究
要突破粉末冶金钢基耐热模具材料的关键制备技术，使新型热作模具材料的强度和耐磨性均超过H13热作模具钢，首先需要解决的第一个问题是提高钢基体强度与耐磨性。在低碳低合金的钢基础上，采用经优化设计的具有复合机构的超微硬质相，通过多尺度弥散硬质相粒子与时效析出相粒子的协同作用，提高钢基体的强度和耐磨性。
2.1.2 复合材料韧性提高研究
工作过程中，模具承受着冲击载荷，为了减少在使用过程中的折断、崩裂等形式的损坏，要求模具钢具有一定的韧性。模具钢的化学成分，晶粒度，纯净度，碳化物和夹杂物等的数量、形貌、尺寸大小及分布情况，以及模具钢的热处理制度和热处理后得到的金相组织等因素都对钢的韧性带来很大的影响。通过控制硬质相的尺度与项目和钢基体的晶粒度，提高符合材料的韧性。
2.1.3 界面处产生裂纹倾向降低研究
要研发一种纳米TiC颗粒增强的钢基粉末冶金耐热磨具材料，如何降低界面处产生裂缝倾向也是其研究的重点内容。通过粉末冶金制备工艺，实现钢基体内硬质相的均匀分布和弥散强化，通过硬质相粒子的表面改性，改善其与基体的界面强度，降低界面处产生裂纹的倾向，并结合热处理工艺的优化，研制出高强高耐磨长寿命的热作模具钢新品种。
2.2 特色和创新之处
2.2.1 实现界面裂纹倾向的有效降低
通过陶瓷相离子的表面改性、纳米陶瓷粉末的表面改性，提高陶瓷相與基体、纳米相与钢基体界面结合强度，有限降低了界面处产生裂纹的倾向。
2.2.2 达到复合材料韧性、磨具材料强度和耐磨性的高效提高
设计一种低成本的纳米TiC颗粒增强的钢基粉末冶金耐热模具材料，通过控制陶瓷相的尺度与形貌和钢基体的晶粒度等多种机制协同作用，提高了复合材料的韧性;通过多尺度弥散硬质相粒子与时效析出相粒子的协同作用，突破粉末冶金钢基耐热模具材料的全致密技术，使热作模具材料的强度和耐磨性均超过H13热作模具钢，降低铝挤压模具制造成本和铝型材加工成本。
2.3 达到的社会效益
进行纳米陶瓷相增强钢基模具材料的研制与产业化研究，将对技术创新、人才集聚、产业发展等方面起到积极促进作用。一是技术创新。本文提出的纳米陶瓷相增强粉末冶金热作模具钢研究，突破了传统研究思路和粉末冶金钢基耐热模具材料的全致密技术，在低碳低合金钢基础上，采用经优化设计的具有复合结构的超微硬质相，通过粉末冶金制备工艺，实现钢基体内硬质相的均匀分布和弥散强化，并结合热处理工艺的优化，研制出高强高耐磨长寿命的热作模具钢新品种，满足铝型材热挤压用高品质模具钢的需求。二是人才集聚。纳米陶瓷相增强钢基模具材料的研制与产业化将吸引高科技人才的加入，围绕复合材料领域，不断加快领军型人才引进，加大人才培养力度，促进江门市高端人才数量增加，人才集聚效益充分显现，有效形成人才引领产业、产业集聚人才局面。三是产业带动。项目可带动在汽车、能源、机械、电子、信息、航空航天工业和日常生活用品等相关行业和产业的发展，可谓这些行业提供高品质的纳米陶瓷相增强钢基模具材料，从而提高相关产品的国际竞争力。
2.4 采用的方法、技术路线以及工艺流程
首先进行纳米陶瓷相增强钢基复合材料成分与组织设计，接着，通过粉碎、研磨等手段得到基体钢粉末和纳米陶瓷粉末，对纳米陶瓷粉末进行表面改性使其具有更好融合性，完成原材料预处理工序。然后，将基体钢粉末与纳米陶瓷粉末混合一起搅拌、球磨，实现钢粉末与纳米陶瓷粉末混合体物理成型，将物理成型混合体进行压力成型、挤出成型，实现混合体化学成型，到此完成复合材料成型阶段。最后，通过多尺度弥散硬质相粒子与时效析出相粒子的协同作用，提高钢基体的强度和耐磨性，通过控制硬质相的尺度与形貌和钢基体的晶粒度，提高复合材料的韧性;通过硬质相粒子的表面改性，改善其与基体的界面强度，降低界面处产生裂纹的倾向，研制出高强高耐磨长寿命的热作模具材料新品种。技术路线图见图1所示。
3 结语
通过陶瓷相离子的表面改性、纳米陶瓷粉末的表面改性，提高陶瓷相与基体、纳米相与钢基体界面结合强度，有限降低了界面处产生裂纹的倾向。此外，设计了一种低成本的纳米TiC颗粒增强的钢基粉末冶金耐热模具材料达到复合材料韧性、模具材料强度和耐磨性的高效提高。
参考文献
[1] 张国赏，魏世忠，韩明儒，邪建东，高义民.颗粒增强钢铁基复合材料[M].北京：科学出版社，2013.
[2] 孟兆强，黄德信，冯涛，等.3Y-TZP粉体烧结性能研究[J].人工晶体学报，2009，38（增刊）：375-378.
[3] 刘军，周飞.热挤压模用陶瓷材料的性能与应用研究[J].稀有金属材料与工程，2003，32（3）：232-235.
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