（载运工具运用工程专业论文）半固态连铸m2高速钢坯料的特性研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：高速钢广泛应用于切削工具、模具、轧辊和载运工具关键零件，提高高速 钢产品质量和国产化水平对我国载运工具行业的发展意义重大。常规的高速钢生 产方法使得其铸念组织中共晶碳化物呈j ：r 大的网状组织，这将影响到其后续的热 加工及最终产品的各种性能，而现有的各种改善高速钢组织状念的方法在一定程 度上效果并不理想。为了解决这一问题，实现高速钢铸坯的高质量高效率生产， 本研究首次提出了利用半固态连铸技术来生产高速钢坯料的方法，制订出合理的 半固态连铸工艺，利用倾斜板冷却式半固态连铸机生产出m 2 高速钢坯料，并对坯 料的组织、热加工性能及使用性能进行了一系列研究和分析，以验证这种新工艺 的实用性。 经过研究得知：半固态加工技术解决了m 2 高速钢铸态坯料中碳化物严重偏析 的问题，改善了其铸念组织、热塑性加工性能和使用性能。使其晶粒由发达的树 枝晶变为细小圆整的等轴晶，共晶碳化物明显比常规铸态中的薄而少，并且其共 晶碳化物不同于常规铸态组织中那样发达的网状组织，碳化物网的连续度也大大 降低。这种组织上的变化必然会导致铸态坯料的热塑性加工性能的改善，虽然其 在单向应力下的最佳热塑性温度范围没有改变，仍然是9 0 01 2 0 0 ，但在这一 温度范围内，随着温度的提高半固态坯料的热塑性就相对比常规念的越好，并且 经过热塑性加工后的半固态坯料碳化物不均匀度低于常规态的。在性能上，半固 态连铸技术提高了m 2 高速钢的使用性能，其硬度、红硬性和冲击韧性均略高于常 规态。 关键词：m 2 高速钢；半固态；连铸；共晶碳化物；热塑性 分类号：1 - g 2 4 9 7 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：h i g hs p e e ds t e e l ( h s s ) i sw i d e l yu s e di nc u r i n gt o o l s ，m o u l d s ，r o l l e r s a n dk e yp a r t so fv e h i c l e i m p r o v i n gq u a l i t ya n dd o m e s t i cl e v e lo fh i g h - s p e e ds t e e l p r o d u c t sh a sag r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to ft h ev e h i c l ei n d u s t r y e u t e e t i c c a r b i d e so fa s c a s tm i c r o s t r u c t u r eo fh s sa r ec o a r s en e t w o r ks t r u c t u r e ，w h i c ha f f e c t s i t sh o tp r o c e s s i n ga n de v e nt h es e r v i c ep r o p e r t i e so fp r o d u c t s b u t , a tp r e s e n t ，t h e s e e x i s t i n gi m p r o v i n gh s sr n i c r o s t r u e t u r em e t h o d sa r eu n s a t i s f a c t o r y h 1o r d e rt os o l v e t h i sp r o b l e ma n dr e a l i z et h eh i g h - q u a l i t ya n dh i g h - e f f i c i e n c yc a s t i n gp r o d u c t i o n , t h i s r e s e a r c hp r o p o s e st h es e m i - s o l i dc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yt op m d u c oh s sf i r s t l y i nt h er e s e a r c h ，a p p r o p r i a t es e m i s o l i dc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s si se s t a b l i s h e d ，m 2 h s sc a s t i n gb i l l e ti sp r o d u c e db yc o o l i n g - p l a t es e m i s o l i dc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e , a n dt h et h e r m a lp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c ea n ds e r v i c ep r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e dt o v a l i d a t et h ep r a c t i c a l i t yo f t h i sn e wt e c h n o l o g y t h er e s u l ts h o w st h a tt h es e m i s o l i dc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yc o u l dr e s o l v e t h es e r i o u ss e g r e g a t i o no fc a r b i d e si nc a s t i n gm i c r o s t r u e t u r e t h eg r a i n so ft h em 2 h s ss e m i s o l i dc a s t i n gb i l l e ta r ef i n e r o u n d - e q u i a x e dg r a i n sw h i c ha r en o td e n d r i t e sa s p r o d u c e db yc o n v e n t i o n a lc a s t i n g , a n dt h ee u t e c t i cc a r b i d e st u mi n t ot h i na n db r o k e n n e t w o r kf r o mc o a r s en e t w o r ks t r u c t u r e a sar e s u l t ，t h i sc h a n g eo fm i c r o s t r u e t u r e i n e v i t a b l y l e a d st ot h ei m p r o v e m e n to nt h e r m o p l a s t i c p r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e a l t h o u g hi t sb e s th o tp l a s t i ct e m p e r a t u r er a n g ei s n tc h a n g e du n d e rt h ec o n d i t i o no f u n i a x i a ls t r e s s ，w h i c hi sf r o m9 0 0 t o1 2 0 0 a sc o n v e n t i o n a ls t a t e , b u t , a l o n gw i t h t h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ei nt h et e m p e r a t u r er a n g e ，s e m i - s o l i db i l l e t st h e r m o p l a s t i ci s i n c r e a s i n g l yb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a ls t a t e s a n da l s ot h ec a r b i d ed i s t r i b u t i o nt u r n s b e t t e ra f t e rb e i n gf o r g e d m o r e o v e r , s e m i - s o l i dc o n t i n u o u s c a s t i n gt e c h n o l o g y i m p r o v e sh a r d n e s s ，i m p a c tt o u g h n e s sa n dr e dh a r d n e s s ，t h es e r v i c ep r o p e r t i e so fm 2 h s sa r em u c hh i g h e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a ls t a t e k e y w o r d s ：m 2h s s ；s e m i s o l i d ；c o n t i n u o u sc a s t i n g ；e u t e c t i cc a r b i d e ；h o t p l a s t i c i t y c l a s s n o ：t g 2 4 9 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 勾霉手 导师签名： 输、碉 签字日期：柳年r o , g 压日签字日期：1 年f t 月f ，日 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导一f 进行的研究1 ：作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注帛瞰谢之处外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通人学或其他教育机构的学位或证传而使h j 过的材料。与我同i ：作的 同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明升表示了谢意。 学位论文作者拖匀翳签字眺p 7 年蝴7 r 日 致谢 本论文的研究工作是在我的导师邢书明教授的悉心指导下完成的，邢老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给予我很大的影响和帮助。两年半以来，邢老师 以他渊博的知识、严谨的作风、缜密的思维时时刻刻影响着我的思想，陶冶着我 的情操，这些都将成为我以后在工作、学习和生活上宝贵的经验。在此论文交付 即将毕业之际，谨向恩师致以我崇高的敬意和深深的感谢! 同时张励忠副教授、鲍培玮老师、邢文斌工程师对于我的科研工作也给予了 很大的支持和帮助，在此致以由衷的感谢! 还有课题组的成员和优峰、张密兰、覃彦龙、吴夏玲，姚淑卿、刘文、刘华 斌、竺超今和郭文龙在实验室工作及撰写论文期间也给予了我热情的帮助。在此， 向他们表示诚挚的感谢! 另外也要特别感谢我的家人，他们支持和鼓励使我能够在学校专心完成我的 学业。 北京交通大学硕士学位论文1 前言 1 前言 高速钢是一种含钨、钼、铬、钒等合金元素较多的高合会工具钢。它属于高 碳高合会莱氏体钢，是特殊钢中通过特殊热处理可以获得极高硬度( h r c 6 3 7 0 ) ， 而且在5 5 0 6 0 0 时仍可以保持高硬度和高耐磨性的耐热耐磨钢类，其主要用途 是制造各种机床的切削工具，也部分用于高载荷模具、冷热轧辊i l l 。 2 0 世纪中期以后，随着科学技术的飞速发展，许多超硬工具材料如t i c 及硬 质合金、涂层硬质合金、陶瓷和金属陶瓷、立方氮化硼、聚晶金剐石等不断出现， 它们在切削速度、效率以及切削难加工材料上有着高速钢无法比拟的优势，但是 高速钢的韧性、工具成型性却是任何脆性超硬材料无法相提并论的，因此高速钢 仍处于基础地位。 据专家预测，2 0 0 0 年国内工具行业的汽车刀具产值可占刀具总产值的2 5 ， 汽车行业已成为工具行业的最大用户之一。从世界范围看，高速钢的发展与汽车 工业的发展同步，汽车生产大国也是刀具生产大国。美国汽车刀具市场约占刀具 市场的4 0 ，r 本、德国也达到了3 5 。美国刀具产值为9 1 0 亿美元，同本7 8 亿美元，德国6 7 亿美元1 2 j 。到2 0 0 6 年，我国生产7 2 8h 辆汽车，汽车刀具 的产值可达到6 7 亿美元。除了车辆的加工外，高速钢已经丌始运用于载运工具 关键零部件，如航空高温轴承、汽车发动机阀门等特殊耐热埘磨零部件。由此可 见高速钢的发展应用对于载运工具行业这一国民支柱产业来说有着举足轻重的关 系，迫切需要提高高速钢产品质量和国产化水平。 自1 8 9 8 年高速钢被发明应用以来，高速钢生产已走过了一百多年的发展历 程。目前世界每年生产高速钢近3 0 万吨，高速钢钢材在2 0 万吨以上。根据o e c d ( 世界经济合作及发展组织) 统计，2 0 0 3 年世界实产高速钢钢材2 2 万吨，我国 实产高速钢钢材6 4 万吨( 部分民营企业未进入行业统计) ，占世界2 9 1 ，居世 界首位【”。如此高产量必定有着巨大的市场来驱动，这使得高速钢具有广阔的发 展前景，无论是前人还是当今的科研机构及企业都积极地在高速钢领域进行研发 创新。2 0 世纪7 0 年代粉末冶金高速钢成功投产：8 0 年代涂层高速钢技术成功应 用；此外为了节约贵金属资源低合金高速钢也相继研发成功并投入生产；同时 为了满足特殊的需要，高抗压抗弯强度与强耐磨性高速钢材料也相应研制成功； 还有为了提高高速钢质量和生产效率、降低成本以及节省能耗，对高速钢的微观 组织、合金机理乃至生产工艺等方面也进行了系统化的研究【4 】。 北京交通大学硕士学位论文 1 前言 1 1 现阶段高速钢坯料生产技术及其特点 目前高速钢坯料的生产主要还是遵循冶炼一铸坯锻轧成材的工艺。其中早 期的高速钢都是用坩埚法进行冶炼，自从电弧炉炼钢出现后，因其在改善钢的清 洁度和热加工性能方面的便利条件，很快就成为高速钢的主要冶炼设备。随后又 出现了电渣重熔、粉末冶会和喷射成型等更加先进的制坯方法，形成了多技术共 存的高速钢坯料制备的新格局。 1 1 ，1 电弧炉熔炼铸坯 冶炼高速钢绝大多数采用电弧炉( 碱性) 、单渣法。因为电弧炉热效率高，钢 液温度易于控制，又能控制炉中冶炼气氛，完成精炼、脱气和去除夹杂任务，可 用原料范围广泛，能回收返回钢种的大量合金元素，降低成本，并且冶炼质量相 对较好、投资少。炼得的钢液直接浇铸成钢锭，也有的企业采用连铸或连铸连轧 技术直接产出钢坯或钢材p “。 其显著优点是热效率高，成本低，投资少。但这种方法也存在以下缺点，诸 如：( 1 ) 坯料组织疏松、不均匀；( 2 ) 金属和非会属夹杂相对较多；( 3 ) 偏析严 重，网状碳化物较厚并且有大块角状集结。这些缺点为坯科的后续加工增大了难 度，使得废品率提高，必然也使得最后的成品质量和寿命都有所下降。 1 1 2 电渣重熔铸坯 电渣重熔法是一种特种冶金技术【7 1 ，是采用普通冶炼方法得到的坯料作为自 耗电极，借助水冷结晶器内渣层的电阻热作热源，进行再熔炼的一种特殊熔炼方 法。它将精炼与铸坯融为一体，实现了短流程作业。其精炼作用主要靠电极熔化 的钢水滴通过渣层的渣洗作用实现，而成坯过程是靠水冷结晶器内的强制冷却和 凝固完成的。 自2 0 世纪4 0 年代这一技术发明以来，其在工业生产中的应用得到了迅速的 发展，尤其是在高速钢的生产中其作用非常重要，文献【9 】指出，国内外电渣重熔 工艺技术的发展几乎都与高速钢生产有关，现在德、美、乌克兰、英、瑞典、日 本、法国等的一些主要钢厂己都用电渣重熔法生产高质量的高速钢，主要用于大 型钢坯或钢锭( m 1 5 0 n - n 以上) 的生产。我国的电渣重熔技术自上世纪五十年代 起步以来，到目前为止技术已经非常成熟，达到了世界先进水平，1 9 8 1 年我国上 海重型机器厂与北京钢铁学院合作，建成了世界上最大的2 0 0 t 电渣炉，最大生产 2 j e 京交遥大学硕士学位论文1 前言 能力为2 4 0 t ，实际已生产出2 0 5 t 的钢锭。目前国产电渣重熔高速钢达到国际名 牌( 奥地利i s o c f i c s ) 的水平，大断面高速钢原来需要进口，现在可以出口，年创 汇超过3 6 0 0 万美元。 电渣重熔的主要优点是： ( 1 ) 提高了钢的纯洁度 电渣重熔首先能够有效去除钢中有害元素，去除效果达2 0 5 0 。其次是去 除钢中非金属央杂，并使残余的非金属央杂物细化、弥散分布。 ( 2 ) 改善钢的低倍组织 由于电渣重熔过程的精炼、定向凝固和凝固速度加快，使得钢的宏观组织致 密均匀，无缩孔、皮下气泡及大颗粒夹杂。 ( 3 ) 改善碳化物质量 文献【9 j 援引国外资料的数据，介绍了电渣重熔对高速钢碳化物质量的改善效 果：降低了碳化物不均匀度级别、减小了带状组织宽度及颗粒尺寸。若成材尺寸 相同，电渣钢比电炉钢所用的锻压比减小一半，其碳化物不均匀度电渣钢仍然比 电炉钢小3 4 级。 ( 4 ) 改善钢的热塑性 综合上述电渣钢的三项优点，亦可预见其对热塑性的改善创造了条件。据文 献【1 0 】报道，p 6 1 5 k 5 ( 俄m 2 高速钢牌号) 钢经电渣重熔后热塑性提高了2 0 5 0 ， 从而使成材率也大为提高。 ( 5 ) 改善了钢的使用性能 电渣重熔法提高了高速钢的韧性、硬度、疲劳强度及刀具的使用寿命。 正是这些明显的优点，使电渣重熔很快成了高速钢坯生产的主流技术。但是， 也必须看到，电渣重熔制坯法存在如下一些难以克服的问题： ( 1 ) 电渣重熔的熔炼和凝固速度都比较低，因而生产效率也不高。 ( 2 ) 电渣重熔耗能高。自耗电极是在基本熔炼炉内熔炼合格后浇注而成的， 在电渣重熔时又需要使其重新加热熔化。这种重复加热熔化导致了能源的极大浪 费。据统计，我国电渣钢电耗高达1 6 0 0 2 0 0 0 k w h t 】。若每度电按0 7 5 元计 算，则仅因为重熔带来的成本增加就超过1 0 0 0 元吨。再考虑上自耗电极的氧化 损耗、熔渣吸气、活泼金属的氧化损失以及电渣损耗等，电渣重熔环节造成的成 本增加超过1 5 0 0 元吨左右。 ( 3 ) 由于在电渣重熔工艺中要加入大量的萤石( c a p 2 ) 造渣，会产生氟化物， 对环境和人体的危害极大i “。在当今环境保护任务日益急迫的形势下，这一问题 也是不能忽视的。 综上所述，电渣重熔取代传统的电弧炉熔炼+ 模铸是一个巨大的技术进步，特 北京交通大学硕士学位论文 1 前言 别是在改善低倍组织和大型钢材质量方面，效果尤为显著。但其面临的主要问题 是电耗高、环境污染严重、不便生产小尺寸的坯料和生产效率低。在能源短缺和 环境恶化日趋严竣的形势下，值得探讨其替代工艺，实现高速钢的绿色制造。 1 1 3 粉末冶金高速钢 粉末冶会发源于2 0 世纪6 0 年代，将其应用到高速钢坯料的制备中是高速钢 自发明以来最为显著的变革，使得高速钢的性能明显的上升了一个档次。粉末冶 金法的基本原理是用高压惰性气体( 如氨气或纯氮气) 将熔融的钢液雾化成粉术， 然后将粉末在高温( 1 1 0 0 ) 、高压( 1 0 0 i d p a ) 下压制烧结成近终成形的刀具毛坯 或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。 粉末冶金高速钢有着以下卓著的优点： ( 1 ) 它有效地解决了高速钢铸锭在凝固时产生粗大碳化物偏析的问题。 粉末冶金制备的高速钢坯料，无论其截面有多大，其碳化物分布均可达到1 级，碳化物晶粒极细，在0 2 p m 0 3 1 t m 以下【i3 】( 而常规铸造制备的高速钢坯料 碳化物品粒为0 8 t m 2 p m ) 。 ( 2 ) 粉未冶金高速钢强度高、热处理变形小、热塑性高和耐磨性好。 它的抗弯强度和硬度比熔炼高速钢高出2 0 5 0 。它适用于制造承受冲击 载荷的刀具，如铣刀、插齿刀、刨刀以及小截面、薄刃刀具。在化学成分相同的 情况下，与熔炼高速钢相比较，粉末冶金高速钢的常用硬度能提高h r c l 1 5 ， 高温硬度( 5 5 0 6 0 0 。c ) 提高尤为显著，故粉术冶金高速钢的耐用度较高。由于 碳化物细小均匀，粉末冶金高速钢的可磨削性能较好，含矾2 时可磨削性能相 当于含矾5 的熔炼高速钢，故粉末冶金高速钢允许提高矾的含量0 4 。 ( 3 ) 适于制造各种精密刀具和刃型复杂的刀具。 由于粉末冶金高速钢刀坯的制备不同于常规方法，它是将极细的高速钢颗粒 先在模具里压制成所需的尺寸形状，然后经过烧结而制坯。因此无论多么精密复 杂的刀具只要能够制造出其形状大小的模具就能够制造出这样的刀具来。 粉末冶金高速钢有着如此优异的性能，并且其发展至今也已有三十多年了， 但粉末冶金生产的商速钢产量所占比例在高速钢生产中却并不大，2 0 0 4 年全世界 粉末冶金商速钢产量为l 万吨，而高速钢总产量达3 0 万吨以上，粉末冶金高速钢 所占比例不到5 t 蝤】。是什么原因限制了它的发展扩大和推广使用呢? 究其原因 也是由成全其极其优异性能的生产工艺所致。因为它的生产过程非常复杂，要经 过粉末的制备，坯料的压制烧结，所以其价格高出常规方法制备的高速钢的1 0 倍以上。 北京交通大学硕士学位论文i 前言 1 1 4 连续铸造高速钢 连铸技术是钢铁工业的三大技术进步之一，自上世纪5 0 年代钢的连铸生产工 业化以来，由于其在提高生产效率、成材率及产品质量方面的显著优点，使其得 到迅速的发展，目前世界大多数国家的连铸比达到或超过9 0 。我国自1 9 9 6 年钢 产量超过同本，成为世界第一产钢大国以来，连铸比连年增加，到2 0 0 1 年的连铸 比达到8 9 4 ( 1 6 1 。 但这种技术在高速钢尘产上的应用却相对比较迟缓，高速钢长期被列入不适 于连铸的钢种之列。其主要原因是高速钢自身特性( 空冷自硬、延展性差及组织 偏析等) 导致连铸拉漏、断裂及裂纹，成功率很低。 然而伴随着连铸技术的进步和发展以及几代工程技术人员的不懈努力，高速 钢生产的应用也相继取得了一定进展。1 9 7 9 年5 月，奥钢联( v e w ) 工具钢冶金 师申德勒( m s h i n d l e r ) 来华技术交流时就介绍了奥地利高速铜连铸的情况【。 连铸机为立弯式，下部弯曲半径为5 6 m ，铸坯为8 0 m m x 8 0 m m 断面，拉至水平位 置切断，供轧制边长为6 1 5 m m 的小方钢作车刀用，钢号仅有m 2 。1 9 8 9 年初和 1 9 9 0 年9 月，奥地利b o h l e r 公司在k a p f e n b e r g 工厂连续投产了两台水平连铸机 用于生产特殊钢，其产品中高速钢占到2 3 。1 9 9 6 年r 本大同特殊钢公司报j 苣【。8 j ， 其生产高速钢用的电渣重熔电极坯已全部用连铸坯。所用设备是涉川厂主要连铸 不锈钢用的弧形连铸机，单流r l o m ，铸坯断面：1 4 6 m m x1 4 6 唧、1 8 5 n 砷x1 8 5 r a m 、 1 5 0 m m 3 0 0 4 0 0 哪，最大铸速3 5 m m i n ，二次段和凝固末端设电磁搅拌。迄今， 全面报道高速钢连铸技术成果的是奥地利b r e i t e n f e l d 钢厂t 1 9 l 。其铸机是1 9 8 7 年建成的4 流立式和3 流弧形组合设备。高速钢连铸采用立式，冶金长度( 结晶 器上端至切割水平线) 为9 4 5 m ，铸坯切断长度为1 5 0 3 2 0 m ，断面为 1 4 0 u t m 1 8 5 m m 、1 4 5 m m x1 4 5 m 、1 2 5 m x1 2 5 b 、l o o m m xl o o m m 。还有德国蒂森 ( k r e f e l d ) 公司也将高速钢列为其主要的连铸产品之一。 由上述情况可以看出连铸在高速钢这一禁区已经突破，不论连铸机的形式( 水 平、立式或弧形) 如何，均能适用，关键是连铸的技术水平。高速钢连铸技术在 我国进展相对缓慢，这也与我国特钢整体连铸水平偏低有关。据资料介绍，2 0 0 4 年重庆大学的丁培道等人用双辊薄带连铸方法试制出m 2 高速铸带，并对其进行了 一系列的研究 2 0 l 。再就是2 0 0 5 年江苏省科技厅公布的江苏天工工具股份有限公 司在水平连铸高品质稀土高速钢的开发及产业化。 同其他钢种相比，高速钢的需求数量不多，批量不大，对连铸实现多炉连浇 是困难的，这是其不利的因素。但是从特殊钢生产技术的发展，从提高质量、降 低成本的要求来看，在适应电弧炉的大型化、超高功率化等方面，高速钢连铸是 北京交通大学硕士学位论文1 前言 有发展前途的。 1 2 改善高速钢铸坯组织和性能的方法 高速钢的合金含量高，化学成份复杂，在凝固时容易产生偏析。在上述高速 钢坯料制备技术中，电弧炉熔炼和电渣重熔铸坯所存在的共同问题就是其铸念组 织是粗大的共晶莱氏体网状组织，碳化物偏析严重。这对于后续的热塑性加工以 及厂方供货时成材的质量( 碳化物不均匀度、颗粒度) 直接有着不利的影响，甚 至对最终产品( 刀具、模具) 的使用性能( 硬度、强度、韧性) 也有着负面影响。 而粉末冶金高速钢虽然能够很好的解决这些问题但其生产过程复杂，造价较高， 且国内钢厂提供的品种少，基本还是依赖进口。因此，如何消除粗大网状共晶莱 氏体碳化物，并提高铸造高速钢的韧性就成为高速钢技术领域的一个重要的研究 方向。目前用于改善高速钢铸坯组织及性能的方法有孕育处理、高温淬火、高温 预球化退火和变质及合金化处理。 1 2 1 孕育处理 加孕育剂能有效地改善钢的铸态组织，使钢的铸态晶粒细化，从而减轻高速 钢的枝晶偏析，使晶界共晶碳化物网得以细化，减薄网络厚度，同时还在一定程 度上提高了钢坯的冲击韧性 2 1 2 2 1 。 重庆大学试验室研究选用n b 、t a 、t i 、z r 、c a 、c e 、l a 、y 、n d 、n 、n i 共 1 1 个元素，组合成多种配方进行冶炼试验2 3 1 。结果发现，加入z r 、n 、c a 的效果 好，而且复合加入z r + n 或c a + n 的效果最好。加入后对高速钢组织的改变如表卜1 所示。 表卜1 加入孕育剂对m 2 高速钢铸态组织特征参数的影响 t 如k1 1t h ee f f e c tt om i c r o s t r u c t u r eo f c a s t e dm 2h s s 但现阶段孕育剂元素及其添加剂量对高速钢组织及性能的影响还处于广泛的 研究阶段，其配方的研发也不够成熟，并且它的应用也主要在于轧辊上，在实际 6 北京交通大学硕士学位论文 l 前言 生产中对于量大面广的通用型高速钢小型材，孕育剂的应用并不重要，因为常规 生产工艺( 铸造+ 锻造或轧制) 已能满足质量要求。 1 2 2 高温淬火 高温淬火大多用于改善高合会钢的组织和性能，应用这种工艺可以细化铸念 组织中粗大的晶粒，改善其力学性能和韧性【2 ”。对高速钢应用高温淬火的热处理 工艺也可以消除网状莱氏体，即将刀具在高于普通淬火温度( 1 2 5 0 1 2 6 5 ) 条 件下保温较长时间( 1 0 1 5 分钟) ，通过碳化物的团聚使莱氏体达到粒化，籍以 改善铸造刀具的组织和性能。 铸造刀具经高温淬火处理后需进行退火，然后进行正常淬火、回火处理。 高温淬火的缺点是容易造成晶界重熔，形成大块角状碳化物，所以这一技术 在高速钢生产中应用的比较少。 1 。2 3 高温预球化退火 高温预球化退火是为了消除大截面铸锭锻造组织中的带状碳化物偏析的一种 工艺，即在锻造莳将高速钢加热到包晶温度区保温一段时问，使网状莱氏体发生 断网和粒化，以减轻锻造负型2 5 1 。 但高温预球化退火由于其加热温度过高( 约1 2 5 0 。c 左右) ，容易造成晶粒异 常长大以及脱碳现象严重，所以并不适合工业大规模应用。 1 2 4 变质及合金化 变质处理是在铸造高速钢中加入大量强碳化物形成元素，如b 、v 、t i 等， 可以在高速钢凝固组织中形成大量弥散的一次块状碳化物，替代部分网状共晶碳 化物，使碳化物的形貌和分布得到改善。 符寒光等人通过研究，m 2 铸造高速钢经y - k - n a 复合变质处理后，组织明显 细化，共晶碳化物由网状分布变为块状和团球状，冲击韧性由2 5 6j c m 2 提高到 4 3 7 啪2 ，耐磨性也明显提高，各项力学性能接近锻造| 1 1 2 高速钢的水平【2 6 1 。 此外，通过在m 2 铸造高速钢中加入r e a 卜b t i 复合变质剂，对钢液进行变 质处理，可使铸造高速钢中共晶碳化物经普通退火和淬火处理即发生断网和粒化。 使铸造高速钢的韧性大大提高 2 7 1 。 同样变质处理及合金化技术也主要应用于轧辊上，在通用小型材中的应用也 北京交通大学硕士学位论文1 前言 很少。 以上改善高速钢铸态组织和性能的方法虽然在一定程度上解决了碳化物偏析 严重和碳化物网状组织粗大的问题，但它们不是不适用于当前应用面最广的高速 钢型材，就是会带来其它方面的问题，诸如晶粒异常长大、脱碳、晶界重熔等， 这就大大地限制了这些技术在高速钢上的使用。 在此可以考虑通过改进冶会工艺、控制高速钢坯的凝固过程，以达到改善铸 造高速钢的组织形态和分布目的。而通过将新兴的半固态成型技术应用到高速钢 坯料的制备工艺中去既可以达到上述目的，还不会带来其它有害“副作用”。 1 3 半固态连铸技术 半固态连铸又称连续流变铸造，这一概念提出也就十几年的时间，它是伴随 着半固态技术的发展应用而生的一种新兴的生产工艺，是根据材料流变学原理生 产铸坯的新技术，它是将半固态加工技术与现代连铸技术相结合的产物。其本质 特征是进入结晶器中的熔体为具有非枝晶特征的固液共存的半固态。 1 3 1 半固态连铸技术特征 作为一种连续铸造的方法，半固态连铸有着以下三个典型的特点： ( 1 ) 从结构上，半固态连铸所用的结晶器包括预结晶装置和终结晶器两部分， 预结晶装置完成结晶组织控制，终结晶器完成坯料成形。 ( 2 ) 从工艺上，半固态连铸采取低过热浇注、低温度梯度和搅拌等凝固控制 技术，从而在预结晶装置内得到含有粒状固相的半固态熔体。 ( 3 ) 从原理上，半固态连铸利用半固态熔体的流变特性在重力或附加外力作 用下使其进入终结晶器并凝固成坯。 由此可见，半固态连铸与常规连铸的根本区别在于进入终结晶器的熔体状态 不同。在半固态连铸中，熔体进入通常意义的结晶器( 即终结晶器) 前要先经过 一个具有搅拌和低温度梯度的预处理器，使其变为含有一定细小粒状固相的圃液 两相混合物。这种固液混合物进入终结晶器后形成坯料。正是由于进入终结晶器 的熔体状态是半固态，所以将此种生产工艺称之为半固态连铸( s e m i - s o l i d c o n t i n u o u sc a s t i n g ) ，简称s s c c m ”。 再者，从所使用的设备方面半固态连铸和常规连铸也是有较大区别的。半固 态连铸所用的结晶器包括预结晶装置和终结晶器两部分。预结晶装置是对熔体进 行预处理以形成含有大量游离晶或粒状晶的专用装置，它具有搅拌、控制冷却强 北京交通大学硕士学位论文1 前言 度和产生游离晶的功能。预结晶装置与合金液接触的工作壁既起到合金液结晶衬 底的作用，更要起到促进熔体自发形核以产生大量游离晶的功用。终结晶器是带 有冷却能力和搅拌功能的快速冷却器，与预结晶装黄固定为一体，其作用是对进 入其中的固液混合物施加一个搅拌力并使其快速冷却，最终凝固成一定形状的坯 料。 r 属熔炼10 届熔炼 h 。 移 。 连续拉坯 一妙一 定尺切段 i 一垃 检验入库 连续拉坯 定尺切段 一 5 8 。 国外也有人用刀具保持h r c 6 0 时的温度来表示，h p x x 4 h x1 次硬度为h r c 6 0 ，此 温度高则表明红硬性高。但此温度不易直接找到，可用作图法求得，因为温度上 升和硬度下降呈线性关系。 一般来说，6 2 5 是m 2 高速钢红硬性高低的分界线，又是能否继续切削加工的 分水岭。故本研究用下述方法测定钢的红硬性，即6 2 5 4 h x l 次，然后空冷至 室温，平磨后测其硬度值。加热用盐浴，盐浴配方为2 0 n a c i 3 0 k c l 5 0 b a c l 2 。 硬度测试方法与前面的一致，也是取半固态和常规态试样各两个来测试每个 的硬度，每个试样上选五个测试点。测试结果如表5 - 2 所示。 表5 - 2 红硬性测试值 t a b l e5 - 2r e dh a r d n e s so f m 2h s s 硬度h r c 试样 1234 5平均值总平均值总平均差值 l6 0 75 9 86 1 46 0 35 9 96 0 4 2 常规态6 0 6 9 26 2 56 1 。46 0 85 9 66 0 ，56 0 9 6 l ，s 1 l6 3 26 2 56 2 66 2 36 0 76 2 2 6 半固态6 2 5 0 26 3 4 6 2 46 2 36 3 76 1 96 2 7 4 由表5 2 中的测试结果可知两种状态下的试样硬度都大于h r c 6 0 ，符合m 2 高速 钢红硬性要求，其中半固态试样的硬度值高于常规念的，平均高出约h r c l 。8 1 ，显 然半固态的红硬性优于常规态的。在图5 4 c o 可见，两种状态下的试样红硬性值的 分布区域有交汇，且常规念硬度值相对较分散，甚至有单点值和半固态平均值相 等的情况存在。在排除设备及人主观因素所造成的不确定度后，需要从两种状态 北京交通大学硕士学位论文5 半固态m 2 高速钢使用性能研究 试样的差异中找出造成红硬性高低的本质因素。 硬度h 贮 f 丽 l - 常规态2 l l 半固态1 l l ! 圭画翟i 1 2 3 4 5 试祥编号 圈5 a 红硬性水平值散点图 f i g 5 at h ep l o to f t e dh a r d n e s s 影响高速钢红硬性的因素较多，其中化学成分和淬火温度影响较大，二次硬 化室温硬度的高度会直接影响到红硬性，而钢的组织结构，如碳化物不均匀度质 量也会对最终使用性能、红硬性产生影响。根据已有资料吲1 ，高速钢的红硬性主 要决定于淬火加热时溶人奥氏体的合金碳化物量。上面5 。1 节中通过图5 3 对硬度 的分析指出半固态碳化物颗粒的总量比常规态的少，那么溶入奥氏体的合金碳化 物量就较高，从而使得其红硬性较高且分布均匀。 5 ，3 冲击韧性 韧性是高速钢的一个重要性能，对切削刀具的质量、使用寿命都有重要影响， 尤其在断续切削条件下。因为断续切削时刀具将承受较大的冲击负荷，如果韧性 不好，则容易产生崩刃，从而使刀具报废。韧性不好还会加重刀具的磨损，因为 许多磨损是由于微小的崩刃引起的。因此，有必要对半固态及常规态生产工艺下 的坯料进行冲击韧性的测试研究。 冲击韧性试验是一种动态力学试验，测试的是高速钢试样在一次冲击负载作用 下折断时的冲击吸收功，符号a h ( 通常记为a k ) ，单位为焦耳( j ) 。用冲击吸收 功除以试样横截面积所得的商为冲击韧性值，符号a 虹( 通常记为a 0 ，单位为焦耳 厘米2 ( j c m 2 ) ，也是通用的冲击韧性特性值。它们的大小相应的体现出韧性的高 低。 标准的常温冲击韧性试验法为g b 2 2 9 - 8 4 金属夏比冲击试验方法，只不过由 于淬硬状态的高速钢对试样缺口过于敏感，故一律采用无缺口试样。冲击试验机 的标准打击能量为3 0 0 j 或1 5 0 j ，试验取简支梁状态。一般高速钢的冲击韧性值数 4 5 3 5 2 5 l 5 0 5 9 6眠6钇。礼。觚。融； 北京交通大学硕士学位论文5 半固态m 2 高速钢使用性能研究 据分散度较大，故每组试样应至少备4 支。试样的表面加工质量也应该严格保证， 对于试样截面尺寸的测量精度不应低于0 0 2 m m 。试验所测得的冲击韧性值如表5 3 所示： 表5 - 3 试样冲击韧性 t a b l e5 - 3t o u g h n e s $ o f i m p a c ts p e c i m e n s 冲击韧性j c r l l 。 试样 1234 样本均值样本标准差 半同态 ，3 7 ，83 8 o3 5 33 7 0 3 1 2 3 常规态3 l ，4 3 6 43 7 03 5 83 5 1 52 2 1 注：表中半隧态1 号试样所测碍的值为1 0 8 ，严重偏离正常值的范围，经过对试样断口 的观察发现上面有一处比较明显的夹杂缺陷，因此此值不能作为有效值来处理。 表5 - 3 中数据显示半固态试样的平均冲击韧性值略高于常规试样的值，其样本 标准差值又低于常规态，说明半固态试样的韧性较好。由图5 5 可以看出两种状态 的试样断裂方向几乎是横向的，说明裂纹扩展方向与冲击力方向一致，并且没有 任何塑性变形的迹象，完全是脆性断裂，冲击吸收功也表明了这一切。 图5 5 冲击试样断裂状态 f i g 5 5t h ef r a c t u r em o r p h o l o g yo f i m p a c ts p t g ( i l n e n m 2 高速钢属于高碳高合金莱氏体钢，钢中含有大量硬而脆的合金碳化物，成分 和组织均很复杂，所以影响韧性的因素很多，而且有些因素还相互制约、相互影 响。一般影响m 2 高速钢韧性的因素有化学成分、冶炼方法、热处理工艺以及组织 中的碳化物等。钢铁研究总院的许达、罗迪等人做了一系列的实验来研究这些因 素对高速钢韧性的影响规律【7 2 l ：纯净度高、杂质元素含量低和夹杂物少的钢韧性 较高；同一钢种随碳含量升高其韧性降低：在同一类型钢种中，通常w - m o 系钢的韧 性优于w 系钢；随淬火温度升高，钢的韧性下降；回火温度较低和回火程度不充分 时，也会显著降低钢的韧性。另外碳化物也是影响高速钢韧性的重要因素，碳化物 颗粒愈粗大，分布愈不均匀，钢的韧性也愈差。同时碳化物的数量、类型和形状 北京交通大学硕士学位论文5 半固态m 2 高速钢使用性能研究 等也会对钢的韧性产生影响。对于同一钢种，当碳化物为分布较均匀的球形小颗 粒时，钢的韧性则较好。 再次对比两种状态试样淬火后的微观组织，如图5 3 ，半固态组织中碳化物颗 粒更加细小，分布也比较均匀，所以其冲击韧性高于常规念的。 5 ，4 小结 以上通过对半固态m 2 高速钢的各种使用性能的一系列对比研究，得出结论： 半固态的硬度、红硬性和冲击韧性均略高于常规态。分析原因是由淬回火念微观 组织的差异所致，在经过锻造和淬火处理后半固态组织中碳化物颗粒细小、圆整、 分布均匀、且总量少。因而基体中碳化物含量较高，使得其硬度和红硬性有所提 高，冲击韧性也有一定改善。 北京交通大学硕士学位论文 6 结论 6 结论 1 ) 应用倾斜板冷却式半固态连铸机在设定工艺参数条件下制备出了半固态m 2 高速钢连铸坯料。这些工艺参数包括浇注温度为1 4 8 09 c ，倾斜板倾角为6 0 。和长度 为6 0 0 m m ，拉坯速度为2 1 8 m s ，开拉时日j 为6 s ，结晶器的强制冷却参数中冷却水 流量为3 2 m 3 h ，流速为6 9 4 m s 。 2 ) 半固态连铸坯料无论是冶会质量还是微观质量都比常规态的要好。其宏观 组织比常规态的致密。微观组织上，半固态坯料的晶粒外形圆整，大小均匀，总 体较为细小，平均形状系数为0 7 8 7 3 ，平均等效直径为5 6 1 8 3 9 m ；其碳化物总量 较少，呈丝状断网分布，厚度较薄，平均厚度为6 2 t t m 。而常规态晶粒较大，形 状不规整，大小不匀，平均形状系数为0 5 6 3 5 ，平均等效直径为6 7 8 4 7l i r a ，并且 还有发达的树枝晶存在；其碳化物呈发达的网状组织，局部有大块角状碳化物存 在，总体厚度较厚，平均厚度为1 0 8 i n n 。 3 ) 半固态坯料在单向应力下的最佳热塑性温度区间在9 0 0 1 2 0 0 c 之间，在此 范围内加热温度越高热塑性就越好，这与常规念坯料的基本一致。但是在此热塑 性区域内的其塑性变形能力比常规坯料的高，随着温度的提高其热塑性提高的程 度也就越大。 4 ) 半固态连铸技术提高了m 2 高速钢的使用性能。其锻造并淬回火后硬度、红 硬性和冲击韧性均略高于常规态。 北京交通大学硕士学位论文 参考文献 参考文献 【1 】邓玉昆，陈景榕，王世章高速一f ：具钢北京冶金l ：业出版社2 0 0 2 【2 】赵发忠中国高速钢的现状和发展建议特蛛钢1 9 9 8 ，1 9 ( 4 ) ：3 6 3 8 3 1 李止邦发展我国高速钢的战略分析特殊钢2 0 0 6 ，2 7 ( 1 ) ：l - 6 【4 】赵建政，贾忠琦国内外高速钢发展现状科技怙报开发与经济1 9 9 7 ，1 ：1 3 1 5 【5 】周进华铁合金生产妓术北京科学出版社1 9 9 1 【6 】6 陈宗祥，李金荣大连特殊钢1 9 8 7 ，( 6 ) ：1 6 【7 】m o o n h k i m ，j w l e e d w ，m a c h i n i n g c h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o s l a g c a s ts t e e lf o r h o t - w o r k i n gt o o l s m a t e r i a l sp r