（材料学专业论文）硅和稀土对低合金高速钢hj组织和性能的影响.pdf

摘要 硅和稀土对低合金高速钢( h j ) 组织和性能的影响 摘要 由于高速钢中主要合金元素w 、m o 、v 等日益紧缺、价格昂贵，开发高性能低合金高 速钢具有重要意义。利用高速钢合金化原理，开发了新型低合金高速钢( i - i j ) ，其合金含量 ( w + m 0 + v ) 比通用型高速钢m 2 低4 0 。 首先，本论文系统研究了稀土( 0 w t - - 0 1 2 w t ) 对m 钢组织和性能的影响。研究结果 表明，钢中添加稀土，可明显降低s 、m n 的含量；添加0 0 6 w t 稀土可显著改善锻坯组织、 退火组织中碳化物的大小和分布，细化淬火奥氏体晶粒，增加硬度、红硬性和冲击韧性；但 添加过量稀土，对钢纯净度没有影响，反而会粗化锻坯和退火组织中的碳化物，粗化淬火奥 氏体晶粒，降低冲击韧性。 在研究得到合理r e 添加量( o 0 6 w t ) 的基础上，本论文进一步系统研究了s i ( 原始 含量, - 4 2 w t ) 对m 钢组织和性能的影响。结果表明，s i 可明显改变各热处理状态组织中 碳化物的大小和分布，钢中s i 含量大于2 0 w t 时，将显著粗化锻坯、退火和回火组织中的 碳化物；高温淬火时，s i 加剧奥氏体晶粒的不均匀长大；s i 显著增加退火、淬火和回火组 织中m 6 c 的数量，并增加淬火组织中未溶碳化物的总量；适量s i ( 1 0 w t - - 2 0 w t ) 可提 高二次硬度1 5 2 h r c ，改善冲击韧性，但加入过量s i 会明显降低h j 钢的红硬性和冲击韧 性。 此外，本论文通过提高退火加热温度、减少退火保温时间，改善了退火组织中碳化物的 大小和分布，消除了实践生产中h j 钢在1 1 7 0 。c 淬火时容易产生混晶的现象，从而提高了 钢的淬火温度，使其兼具高的硬度、红硬性和冲击韧性。 最后，通过对合金成分以及热处理工艺进行优化，使新型低合金高速钢( h j ) 的硬度 值可达h r c 6 6 ，冲击韧性可达2 8 j c m 2 ，6 0 0 ( 2 、6 2 5 c 、6 5 0 c 的红硬性分别可达h r c 6 4 、 h r c 6 2 5 、h r c 5 9 ，综合力学性能达到了通用型高速钢m 2 的水平。 关键词：低合金高速钢；稀土；硅；组织：力学性能；混晶 a b s t r a c t e f f e c t so fs i l i c o na n dr a r ee a r t ho nm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl o w a l l o y e dh i g hs p e e ds t e e l ( h j ) a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es h o r t a g ea n dh i g hp r i c eo ft u n g s t e n , m o l y b d e n u ma n dv a n a d i u m ，w h i c ha r e m a j o ra l l o y i n ge l e m e n t si nh i g hs p e e ds t e e l ( h s s ) ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od e v e l o ph i g h p e r f o r m a n c ea n dl o wa l l o y e dh s s 1 1 1 ea l l o y i n gp r i n c i p l eo fh s si st od e v e l o pan e wk i n d o fl o w a l l o y e dh i g hs p e e ds t e e l ( h j ) ，a n dt h ec o n t e n to f ( w + m o + v ) i sf o r t yp e r c e n tl o w e rt h a nt h a to f n o r m a lh s sn 1 2 1 1 1 ee f f e c t so fr e ( o w t - q ) 12 w t ) o nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r e s t u d i e df i r s t r e s u l t ss h o wt h a ta d d i t i o no fr ec a l ld e c r e a s et h ec o n t e n to fs u l f u ra n dm a n g a n e s e b ya d d i n go 0 6 w t r e ，t h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sc h a n g ea sf o l l o w s ：( 1 ) n ep a r t i c l es i z ea n d d i s t r i b u t i o no fc a r b i d e si nf o r g eb i l l e ts t r u c t u r ea n da s a n n e a l e ds t r u c t u r ea r ei m p r o v e d ( 2 ) t h e a u s t e n i t eg r a i ni sb o t hs m a l la n dh o m o g e n e o u si na s q u e n c hm i c r o s t r u c t u r e ( 3 ) t h eh a r d n e s s ， r e d h a r d n e s sa n di m p a c tt o u g h n e s so fl - l js t e e la r ei m p r o v e d e x c e s s i v ea d d i t i o no fr er e s u l t si n t h ec o a r s e n i n go fc a r b i d e si nf o r g eb i l l e ts t r u c t u r ea n d 雒- a n n e a l e ds t r u c t u r e 。a n dm a k e sa u s t e n i t e g r a i ns i z eh e t e r o g e n e o u s ，w h i c hh a sa d v e r s ee f f e c to ni m p a c tt o u g h n e s s a f t e ro b t a i n i n gt h ep r o p e ra m o u n to fr e ( o 0 6 w w o ) ，as y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o nw a sm a d e i n t ot h ee f f e c t so fs i l i c o na d d i t i o no fu pt 04 2 w t o nm i c r o s t r u c t u r e ，c a r b i d e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s r e s u l t sr e v e a lt h a ts i l i c o nh a ss i g n i f i c a n te f f e c t so np a r t i c l es i z ea n dd i s t r i b u t i o no f c a r b i d e si nd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n ts t r u c t u r e s w h e nt h ec o n t e n to fs i l i c o ni sm o r et h a n2 0 w t ， m o r eb u l kc a r b i d e sa r ef o u n d a d d i t i o n o fs i l i c o nc a na g g r a v a t ea u s t e n i t eg r a i nw h e nt h e q u e n c h i n gt e m p e r a t u r ei sa b o v el17 0 c ，a n di n c r e a s et h eq u a n t i t yo fm 6 ci na s a n n e a l e ds t r u c t u r e ， 舔一q u e n c h e ds t r u c t u r ea n da s - t e m p e r e ds t r u c t u r e m e a n w h i l e ，i tc a ni n c r e a s et h ea m o u n to f r e t a i n e dc a r b i d e si n 觞q u e n c h e ds t r u c t u r e s i l i c o na d d i t i o n ( 1 0 w t o 旷2 0 w t ) c a ni n c r e a s et h e s e c o n d a r yh a r d n e s sb y1 5 - 2 h r c ，a n di m p r o v et h ei m p a c tt o u g h n e s s w h e nt h ec o n t e n to fs i l i c o n i sm o r e2 0 w t ，t h er e dh a r d n e s so f t h i ss t e e ld e c r e a s e ss e r i o u s l y d u r i n gt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，i ti sf o u n dt h a tm i x e dg r a i n sc o n t a i n e di nh js t e e lw h i c h s e r i o u s l ya f f e c t st h ei m p a c tt o u g h n e s sw h e nt h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e i sa b o v e1 17 0 c b y r a i s i n gt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，a n ds h o r t e n i n gt h eh o l d i n gt i m e ，t h ep a r t i c l e s i z ea n d d i s t r i b u t i o no fc a r b i d e si na s - a n n e a l e dm i c r o s t r u c t u r ea r ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y , a n dm i x e dg r a i n s a r ee l i m i n a t e d b yo p t i m i z i n gt h ea l l o y i n ge l e m e n t sa n dh e a t 仃e a t m e n lh a r d n e s sa n di m p a c tt o u g h n e s so fh j l o wa l l o y e dh s sc a na c h i e v eh r c 6 6a n d2 8 j c m 2r e s p e c t i v e l y , a n d6 0 0 c ，6 2 5 ca n d6 5 0 cr e d h a r d n e s sc a nr e a c ht oh r c 6 4 ，h r c 6 2 5a n dh r c 5 9 t h ep r o p e r t i e so fil ls t e e la r en e a r l ys a m e a st h a to f m 2 k e yw o r d s ：l o wa l l o y e dh i g hs p e e ds t e e l ，r a r ee a r t h , s i l i c o n , m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，m i x e dg r a i n l i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：# 日期：立雹盐 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 本论文属于 请在以上方框内打“ 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密占厂 学位论文作者签名： 导师签名： 日期：砷年弓月跖日 日期： 霄洲申 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 高速钢的生产和使用已经有一百多年的历史。由于其可以通过热处理获得极高的硬度 ( h r c 6 3 7 0 ) ，且在5 5 0 6 0 0 的高温下仍可保持h r c 6 0 以上，同时具有很高的耐磨性 1 1 l ，因此高速钢在性能方面有许多其他材料所没有的优势。近年来由于硬质合金以及许多超 硬工具材料如陶瓷、金属陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石等的不断出现，在切削速度、切削 效率以及切削难加工的材料上高速钢无法与其相提并论，但是由于高速钢的韧性、工具成型 性是任何脆性超硬材料所无法比拟的，目前在切削刀具及模具制造领域高速钢仍然占有主导 地位，与硬质合金并列为现代刀具的两大支柱材料，而从数量上讲，高速钢仍处于基础地位 【2 】o 表1 1 是各类重要工具使用高速钢、硬质合金和陶瓷材料情况的统计表，是由世界最大 的高速钢生产厂家奥地利伯乐特种钢公司统计的。从表中可以看出，除车刀外，其他各 种工具主要都是用高速钢制造的，尤其是螺纹工具、齿状刀具、拉刀等精密复杂刀具。根据 刀具专家的分析【4 1 ，在可预见的将来，高速钢在刀具材料中的特殊地位不可能被其他刀具材 料所取代。 表1 1 主要机加工刀具应用的材料销售金额比例( ) 1 3 1 近年来高速钢在生产、应用以及机理研究等方面都有重大进展。研究高速钢的最佳合金 化以便改善钢的性能和质量以及更合理的使用有限的资源是高速钢研究的重要课题1 5 ，6 j ，而 节能又是国民经济建设的一个永恒的课题。随着材料科学与工农业生产的迅速发展，合金资 源日益紧张。在材料研究领域，研究用少量的合金研制多品种钢的方法，可以节约昂贵、稀 缺的合金元素，从而达到节能的效果。高速钢中由于含有大量的w 、m o 、v 等昂贵的合金 元素( 几种典型的通用型高速钢的成分见表1 2 ) ，使得高速钢的生产成本上升。在高速钢生 产领域，研究用少量合金开发新型的高性能低合金高速钢钢种，可以节约合金元素，达到节 能的效果。为了降低高速钢的生产成本，早在2 0 世纪6 0 年代，人们就着手研制低合金高速 钢。 和通用型高速钢一样，低合金高速钢的生产从最初冶炼到最终产品需要经历很长的流 程。低合金高速钢由于其成本低廉，综合性能优良，已经在某些刀、模具制造上得到了广泛 东南大学硕士学位论文 的应用，替代通用型高速钢，取得了很好的经济效益。在现代化生产条件下，制造加工业的 发展对高速钢刀具的性能提出了更高的要求。而严格制定生产工艺以及对化学成分进行合理 配比，是保证高速钢具有良好性能的关键。因此，系统研究低合金高速钢成分及工艺与性能 之间的关系，总结低合金高速钢生产的一般规律，对实际生产过程有着重要的指导意义及理 论参考。 表1 2 美国a s t ma 6 0 0 9 2 a ( 1 9 9 9 ) 所列出的几种典型的高速钢及其成分( 、v t ) 朔 1 2 低合金高速钢的特点及开发理论 1 2 1 低合金高速钢的特点及分类 低合金高速钢是指合金含量( 主要是w 、m o 含量) 较低的高速钢。迄今为止，公开发 表的此类钢种的成分，其w 当量( w + 2 m o 的含量) 多在5 1 2 之间【引。近2 0 年来，人 们仍致力于研制和开发新型低合金高速钢，使得此类钢的应用及发展取得了显著进展，并且 成为高速钢领域的重要分支。 根据美国试验及材料协会发表的关于高速钢的定义，这类钢被列为“中间”高速钢，也 称半高速钢。在前苏联、前西德、瑞典、波兰等国，某些低合金高速钢已列入了国家标准。 已知的低合金高速钢种类很多，根据其化学成分可把低合金高速钢分为两大类【9 】： ( 1 ) m o 系低合金高速钢 第一大类为m o 系低合金高速钢，即无w 低合金高速钢。根据钢中合金元素m o 、v 的 含量，这类低合金高速钢又可分为两类，其中一类含m o 为2 5 o 5 ，含v 为2 0 3 0 。 最典型的是德国研制的m 3 0 3 钢；另一类含m o 为5 0 - - 6 0 ，含v 为1 0 0 旷2 0 ，这类钢 是最近1 5 - - - 2 0 年间才出现的，其中最具代表性的是前苏联研制的l lm 5 钢。 ( 2 ) w - m o 系低合金高速钢 第二大类为w - m o 系低合金高速钢。根据w 、m o 、v 的含量也可分为两类，其中一类 含w 约为3 、m o 为3 、v 为2 5 左右，这类钢是在1 9 3 6 1 9 3 8 年间研制的，最典型的 a b c i i i 钢后来被列入西德国家标准：另一类含w 为1 2 ，m 为5 6 ，v 为1 2 左右，这类钢是最近十几年间研制的，其中1 3 0 5 0 钢是瑞典研制的，p 2 m 5 钢是前苏联工 具科学研究所研制的一种低合金高速钢，m 5 2 钢被美国试验及材料协会列为“中间”高速 钢。 与通用型高速钢比较，低合金高速钢合金元素的总含量要少得多。除个别钢种外，低合 金高速钢的c r 含量均为4 o 左右，与通用型高速钢相同。第一大类m o 系低合金高速钢不 含w ，主要合金元素m o 和v 的含量不超过6 ：第二大类w - m o 系低合金高速钢中，w 、 2 第一章绪论 m o 、v 的总和也不超过9 。低合金高速钢中的w 、m o 含量低，而v 含量相对提高。v 作 为强碳化物形成元素，在形成碳化物时需要结合较多的c 。因此，几乎所有的低合金高速钢 的c 含量均比通用型高速钢高。某些低合金高速钢还添加了微量合金元素s i 、a i 、t i 、n b 、 n i 以及r e 元素以改善其组织和性能。 1 2 2 低合金高速钢的开发理论 低合金高速钢的开发是利用合金元素的最佳合金化原理【l 们，即当碳化物形成元素和c 含量满足合金碳化物分子式中的定碳比关系时，二次硬化效果最好，才能保证高速钢具有高 的红硬性和耐磨性，同时也节约了高价的合金元素。 低合金钢中的c 含量的确定是基于定比碳计算公式l l l j ： c = o 0 3 3 w + o 0 6 0 m o + 0 2 0 0 v + 0 0 6 0 c r + 0 11 2 n b + 0 2 5 0 t i ( 1 1 ) 得出的。w 、m o 对高速钢二次硬化和其他性能起着重要作用。一定量的w 可提高钢的红硬 性及减少热过敏性，但w 太高会增加碳化物的不均匀性，增大钢的脆性。高速钢中加入 m o 可以改善w 系高速钢的致命冶金缺陷次碳化物的不均匀性，从而降低脆性，提 高钢的强度和韧性。v 主要形成稳定的碳化物，溶解在固溶体中，可提高钢的二次硬化能力 和耐磨性，v 是高速钢中不可缺少的元素。添加c r 可以使钢产生较高的淬硬性和淬透能力， 并具有适当的抗大气氧化腐蚀的能力。低合金高速钢中还添加了诸如n b 、n 和r e 等微量 合金元素。与v 相比，n b 是更强的碳化物形成元素，在淬火加热时阻止奥氏体晶粒长大， 使晶粒细化，高速钢中的n 在有v 、n b 存在的情况下能形成m ( c n 型碳氮化物，改善钢的 性能。 1 3 低合金高速钢的发展现状 1 3 1 国内外低合金高速钢的应用及发展现状 国外低合金高速钢研制开始于2 0 世纪3 0 年代，7 0 年代出现开发热潮i l2 。人们公认的 第一个投入实用的低合金高速钢是德国在二次大战期间，因w 资源短缺而研制的a b c i i i ( 3 w 、3 m o 、3 v ) 。因其可磨削性差，后将v 含量降低至2 左右，称为s 3 - 3 2 钢。 德国标准d i n l 7 3 5 0 8 0 仍保留了此钢，并标注用作机用锯条。 此后，瑞典、波兰、前苏联、美国等也开展了这方面的研究，并研制出了一系列新的低 合金高速钢。其中m 5 0 、m 5 2 钢在美国称为半高速钢，一般不用作刀具，而用于高温轴承。 d 9 5 0 ( 瑞典f a g e r s t a 公司1 9 7 3 年发表) 、v a s c od y n e ( 美国v a s c o 公司1 9 8 4 年发表) 以及 苏联的11 m s 则用于锯条、热成型钻头等工具，用于切削一般材料时，性能接近或相当于通 用型高速钢。近二十年来，国外低合金高速钢因其经济性而得到一定程度的应用，前苏联的 低合金高速钢年产量占高速钢总量的1 6 ，瑞典5 0 的高速钢机用锯条用1 3 9 5 3 ( 相当于 s 3 3 2 ) 制造，奥地利最大的高速钢生产厂b o h l e r 公司年产低合金高速钢占其总量的6 3 。 国内低合金高速钢的开发起步较晚。自2 0 世纪8 0 年代以来，开发低合金高速钢的重要 性和紧迫性成为我国冶金工作者的共识。上世纪8 0 年代初，上海第五钢铁厂率先仿制德国 a b c i i i 钢，重庆大学、重庆特钢、大连钢厂和钢铁研究总院等单位也相继投入开发工作【1 3 16 1 。 目前我国自行开发成功的低合金高速钢是w 3 m 0 2 c r 4 v s i ( 3 0 1 钢) 和w 4 m 0 3 c r 4 v s i n ( f 2 0 5 钢) 。前者是国内最早研制的钢种，1 9 8 2 年由重庆特钢和重庆大学研制，1 9 8 7 年通 3 东南大学硕士学位论文 过鉴定。后者由钢铁研究总院、河北冶金研究所、抚顺钢厂以及大连钢厂共同研制，1 9 9 2 年通过技术鉴定。经过多年生产和应用实践考验，颇受用户欢迎，年用量上千吨，多用于轧 制钻头、机用锯条、木工刨刀，部分用于立铣刀、丝锥等刀具。表1 3 所示为国内外主要低 合金高速钢牌号和化学成分。 表1 3 国内外主要低合金高速钢的牌号和化学成分( 叭) 1 1 1 3 2 华久特钢在低合金高速钢开发领域的成果 江苏华久特钢工具有限公司是江苏省科技型企业，长期从事高速钢材料及产品的生产和 研发，高速钢线材及棒材产量居国内同行业第三，是全国最大的白钢刀( 占国内市场销售总 额6 0 以上) 及磨具刀板生产基地，各类高速钢产品通过国家刀检中心认证，符合国家一 等品要求。2 0 0 4 年“h j ”牌高速钢材料、白钢车刀获江苏省名牌产品的称号。十多年来， 为我国机械制造、汽车和航空、航天等行业提供了近8 万吨优质工具钢材料。 华久特钢工具有限公司有多年低合金高速钢研究的历史，早在1 9 9 5 年就与外聘专家合 作，研制了以废旧钢材为原料，代号为“4 2 4 1 ”( 、4 m 0 2 c r 4 v 1 ) 的低合金高速钢，率先打 入白钢车刀、麻花钻生产领域。因其低廉的成本，其工艺迅速在国内同行业中被广泛采用， 国内年销售量超过3 万吨。 目前江苏华久特钢工具有限公司与东南大学合作，在低合金高速钢新钢种的研究和开发 领域取得了新的成果。 4 第一章绪论 1 3 3 低合金高速钢存在的不足 低合金高速钢的研制到现在已有六十多年的历史，但目前人们还在不断的进行试制研 究，并未得到非常广泛的应用，其原因是低合金高速钢还存在以下的不足1 1 7 , 1 5 ： ( 1 ) 低合金高速钢淬火加热时未溶碳化物数量少，淬火过热敏感性及奥氏体晶粒长大 倾向大，使钢的韧性降低，刀具使用过程中易崩刃。 ( 2 ) w 、m o 等合金元素的含量较低，红硬性比通用型高速钢低，影响切削加工效率 及降低刀具使用寿命。如国产3 0 1 钢在6 0 0 时的红硬性与m 2 钢相当，但在6 2 5 和6 5 0 的红硬性则明显低于m 2 1 6 j 。虽然提高淬火加热温度可提高低合金高速钢的红硬性，但是 由于低合金高速钢中合金元素较少，提高淬火温度必然导致奥氏体晶粒粗大，从而使韧性下 降。 ( 3 ) 低合金高速钢中v 含量相对较多，v c 是主要的强化相，其硬度比砂轮中a 1 2 0 3 颗粒高，因此某些v 含量较高的低合金高速钢可磨削性差。 ( 4 ) m o 有促进脱碳的影响，m o 系及含m o 较高的钢种，其氧化脱碳倾向大。而且一 般低合金高速钢通过添加s i 来提高其硬度，s i 的加入会增加脱碳倾向，降低钢材的成材率。 1 3 4 低合金高速钢的研究重点 目前，国内低合金高速钢的产量已达到高速钢总产量的2 7 ，但其性能仍明显低于m 2 ， 主要制作一些中低层次的刀具f 1 9 】。由于主要合金元素价格昂贵，对高性能低合金高速钢的 研究重新引起国内外的重视，研究目标已由过去适应低速和软材料切削为目标的“半高速钢” 上升为节约合金元素的同时，力求提高钢种的综合性能，使其在很多场合可以代替通用型高 速钢。因此，低合金高速钢研究和开发趋于向下面几个方向发展口咐副： ( 1 ) 通过添加微量元素加强对低合金高速钢微观组织与合金化机理的研究，从而有效提 高钢种的性能，实现高性能和低成本的最优化。通过对碳化物和二次硬化机理等方面的研究， 可以得出其成分、组织和性能之间的内在关系，对提高钢种的性能具有指导意义。 ( 2 ) 制定严格的生产工艺，对各种特定成分的低合金高速钢钢种的热处理工艺参数进行 系统研究，寻求工艺、组织和性能之间的关系，通过严格控制其组织，发挥钢种的使用潜力。 ( 3 ) 对实际生产中的质量问题，尤其是低合金高速钢韧性不足的问题进行深入研究，着 力解决制约低合金高速钢使用性能进一步发挥的突出问题，大力开发钢种的应用潜力。 ( 4 ) 开发新型的特种处理技术。已有研究表明，d 9 5 0 钢和w 3 m 0 2 c r 4 v s i 钢表面沉积 t i n 涂层后效果显著，为低合金高速钢部分替代通用型高速钢甚至含c o 的超硬高速钢，提 供应用前景。 1 4 低合金高速钢的生产工艺 1 4 1 生产工艺流程 低合金高速钢特别是刀具的生产是一项工程性研究工作，流程很长，影响因素十分复杂。 目前普遍采用的低合金高速钢刀具生产工艺流程如图1 1 所示。原料为高速钢废料，经化学 成分检验合格后投入生产；熔炼及浇铸过程中应严格控制成分，在熔炉及钢包中各进行次 化学成分检测：浇注后即进行电渣重熔，以改善组织，去除杂质：为了细化共晶碳化物，减 5 东南大学硕士学位论文 少疏松，并使钢材规格达到要求，重熔锭需经过多道次的锻打和轧制，经成品退火后成为供 货状态的高速钢钢材。淬、回火工艺多采用盐浴，以利于加热均匀，防止开裂与变形。 图1 1 低合金高速钢生产工艺路线示意图 1 4 2 熔炼及浇注 低合金高速钢的冶炼目前普遍采用8 0 0 k w 中频感应炉，装炉量为1 t 。原料采用高速钢 废料，具体冶炼过程如下： 装料一低温除渣一高温脱p 、s 、o 及除渣( 1 6 0 0 c 左右) 一第一次成分分析一出钢( 1 6 0 0 左右) 一第二次成分分析一浇注( 1 6 0 0 左右) 冶炼过程中进行两次化学成分检验，第一次在高温除渣后出钢前进行，第二次在出钢后 的中间包钢液中取样。熔炼成分的控制除了主加元素的绝对含量要控制之外，通常还要注意 两个方面2 睨7 】： ( 1 ) 按定比碳关系控制c 和强碳化物形成元素的含量，以获得最佳二次硬化效果。可 用平衡碳差值法：a c ( 平衡碳差值) = c p ( 平衡碳量) - - c s ( 实际碳量) ；或碳饱和度控 制法：a ( 碳饱和度) = c s c p 。 ( 2 ) 添加适当的合金元素及严格控制有害元素。高速钢技术标准中规定s 0 0 3 0 ， p 0 0 3 0 。 低合金高速钢的出钢温度约为1 6 0 0 c ，每炉钢液分装成四个钢包，待成分检验合格后 直接浇铸成电渣棒( 电极坯) ，其规格为q ) 8 5 c m x l 7 0 c m ，然后空冷至室温。 1 4 3 电渣重熔 低合金高速钢浇铸成电渣棒后须经电渣重熔。电渣重熔的作用在于【2 1 】：( 1 ) 提高钢 的纯洁度。电渣重熔首先是能够进一步去除钢中的有害元素( 去除效果达2 0 - - 5 0 ) ，其 次是去除钢中的非金属夹杂物，并使残留的非金属夹杂物细化、弥散分布。( 2 ) 改善低倍组 织。由于电渣重熔过程的精炼、定向凝固及凝固速度加快，使得宏观组织细密均匀，无缩孔、 皮下气泡及大颗粒夹杂。( 3 ) 改善碳化物质量。研究表明，电渣重熔对高速钢碳化物质量的 改善效果非常明显，碳化物不均匀度级别降低、带状宽度及颗粒尺寸均减小。若成材尺寸相 同，电渣钢比电炉钢所用的锻压比减小一半，其碳化物不均匀度仍然比后者小3 - 4 级。 6 第一章绪论 1 4 4 热加工变形 热加工过程对高速钢质量影响很大。通过锻造及轧制加工变形，铸态结晶组织破碎，疏 松减少，钢件致密度增加，变成适于使用的成品规格。锻打对高速钢特殊的凝固组织共 晶莱氏体网状结构的破碎具有不可替代的作用【3 2 】。锻造前的高温加热一定程度上可以改善 高速钢的共晶莱氏体组织，但效果没有热塑性加工对共晶组织的影响明显。在锻、轧过程中， 通过热塑性变形可以将连续的莱氏体网拉断，使大块共晶碳化物破碎，最终改善共晶碳化物 分布的均匀性3 2 _ 3 5 1 。 低合金高速钢锻坯经修磨除去脱碳层及表面宏观缺陷后进行轧制。轧制成符合规格的型 材后需进行退火，使其硬度达到供货状态标准( 、 5 h ，随后缓慢冷却 至5 0 0 以下后随炉冷却至室温出炉。实际生产过程中装炉量比较大，升温和降温时间较长， 退火总时间比较长。采用实际生产的退火工艺，退火总时间约为7 2 h 。在对热处理优化过程 中，退火在实验室完成，采用箱式退火炉，退火加热温度为8 6 0 9 2 0 ，保温时间为o h 6 h ， 并以2 5 3 0 m 冷却速度冷却到6 0 0 后随炉冷却至室温出炉。实验室中退火总时间控制 在2 4 h 以内。具体的工艺曲线如图2 2 所示。 6 0 0 5 0 0 图2 2h j 钢退火工艺曲线 ( a ) 华久实际生产退火工艺( b ) 实验室退火工艺 2 3 2 淬火和回火 淬火和回火在盐浴炉中进行。淬火过程包括预热、保温、冷却三个阶段，淬火加热系数 采用1 8 s m m ，冷却过程采用分级冷却的方法。淬火后的试样采用三次回火，每次1 h 。具体 的淬、回火工艺曲线如图2 3 所示。 p 型 赠 时间 图2 3 淬、回火过程示意图 1 6 东南大学硕士学位论文 2 4 组织分析 为了研究r e 和s i 含量的变化对h j 钢组织的影响，对各组试样的铸态、锻态、退火态、 淬火态、回火态的组织进行形貌观察、物像分析和碳化物分析。 2 4 1 组织观察 将各状态组织制成金相试样，利用o l y m p u s 金相显微镜、s i r i o n 场发射扫描电子显微镜 对各状态组织进行观察。淬、回火组织一般采用4 一- 1 0 的硝酸酒精溶液进行腐蚀：回火组 织的原奥氏体晶粒组织采用三酸( 苦味酸、盐酸、硝酸) 乙醇溶液进行腐蚀：高倍组织的分 析和能谱测试在扫描电子显微镜上进行。 2 4 2 碳化物分析 试验钢各热处理工艺下( 退火、淬火及回火) 碳化物利用x d 3 a 型x 射线衍射仪进行 精确分析。 ( 1 ) 碳化物粉末的制备 碳化物粉末试样的制备参照g b t8 3 5 9 8 7 高速钢中碳化物相的定量分析方法：x 射 线衍射仪法【1 1 。 电解制度为f 1 , 2 1 ： 电解液：5 盐酸( 比重1 1 9 ) + 2 柠檬酸的甲醇溶液； 电流密度：d = 5 0 m a c m 2 ； 电解温度：t = 一8 o ； 电解时间：r = 0 5 h 。 电解所得的阳极沉淀物经清洗、离心收集、干燥后进行称量，用于x 射线衍射分析。 利用电子天平对电解前后试验钢以及所收集得到的碳化物粉末进行称重，利用公式 ( 2 1 ) 计算得到各热处理状态下，组织中的碳化物重量百分比g 。 g ：而丽襞挲蒹1 0 0 ( 2 1 ) 。 电解前试棒重量一电解后试棒重量 一 ( 2 ) 碳化物数量和类型的分析 根据衍射结果，碳化物相的类型通过对照p d f 卡片进行判定【3 4 】；各碳化物相的相对含 量的计算参照g b t8 3 5 9 8 7 ，采用r i r 方法计算物相的质量分数。计算过程中利用m d ij a d e 软件，扣除谱线背底和k 。2 ，对谱线进行平滑处理并拟合衍射峰，计算特定衍射峰的积分强 度1 1 3 】。 具体方法如下： 当高速钢中的碳化物仅含有m c 、m 2 3 c 6 ( m 7 c 3 ) 、m 6 c 三相时，各相的含量与x 射线 衍射累积强度之间有如下关系： x 2 素鼍x m 虻 1 7 ( 2 2 ) 第二章试验材料与方法 11 l z s c s2 承嚣“s c ( 2 3 ) x 眦+ xm 2 3 c 6 + xm6c=1(2-4) 式中：x m c 、x m 2 3 c 6 ( x m 7 c 3 ) 、x m 6 r 分别为m c 、m 2 3 c 6 ( m 7 c 3 ) 、m 6 c 在碳化物总 量中所占的重量分数； i m c 、i m 2 3 c 6 、( i m 7 c 3 ) 、i m 6 c 一分别为各碳化物相在特定晶面上的衍射线累积强度； k m c ，m 6 c 、k m 3 c 讥( k m 7 c 3 懈) 分别为m c 和m 2 3 c 6 ( m 7 c 3 ) 对m 6 c 的衍射线 比例常数，即k 值【卯。 各碳化物相进行测定的特定晶面为：m 6 c ( 4 2 2 ) 、m c ( 1 1 1 ) 、m 2 3 c 6 ( 5 1 1 ) 、m 7 c s ( 3 1 1 ) 晶面，均为衍射峰最强的晶面。 在c u k 确i 射条件下，通过查询最新的p d f 卡片，得到各卡片中的r i r 值，即每个相 的k 值为： k m c a 1 2 0 3 = 3 9 8 ，k m 6 c a 1 2 0 3 = 5 5 4 ，k m 2 3 c 6 a 1 2 0 3 = 2 7 7 ，k m 7 c 3 a 1 2 0 3 = 1 0 2 从而得到以m 6 c 为内标物时，样品中每个相的k 值，即： 礁m c c = 纛m c - o 7 k m 2 3 c 6 = 篆- o 5 k m t c 3 = 糕= o 2 5 性能测试 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 5 1 硬度 硬度是衡量金属软硬程度的一种性能参数7 1 ，是影响高速钢使用性能的关键因素，它的 测量方法有回跳法、划痕法和压入法三种。用压入法测得的硬度值表征金属的塑性变形抗力 及应变硬化能力。高速钢的硬度包括退火硬度、淬火硬度及回火后的二次硬度。 本文采用布氏硬度计对退火硬度进行测量，具体测试严格按照g b t 2 3 1 1 2 0 0 2 金属 布氏硬度试验第1 部分：试验方法进行嘲。用洛氏硬度计测试淬火及回火硬度，具体测 试严格按照g b t 2 3 0 1 2 0 0 4 金属洛氏硬度试验第l 部分：试验方法要求进行 9 1 。 2 5 2 冲击韧性 韧性是衡量高速钢性能的一个重要的力学性能指标，高速钢刀具在具有高硬度的前提 下，还需要足够的韧性。韧性差的刀具，在切削加工中易崩刃，影响刀具使用寿命。 冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常采用标准试样 的冲击吸收功a k 表示7 1 。冲击韧性的测试按照g b t 1 8 1 7 1 9 9 5 硬质合金常温冲击韧性试 1 8 东南大学硕士学位论文 验方法进行【l o 】，采用甩3 0 0 b 摆锤式冲击试验机进行无缺口冲击试验，试样尺寸为 1 0 m m x1 0 m m x 5 5 m m 。 2 5 3 红硬性 红硬性是高速钢和高温热作工具钢所特有的一种性能，指钢在呈暗红色的温度下保持硬 度的能力。红硬性不但直接影响到刀具的磨损，而且对切削升温也有作用，坍塌的刃尖对切 屑的形成产生阻滞，会增大抗力和摩擦强度 i h 。 对二次硬化钢来说，红硬性有双重内容：( 1 ) 钢在高温保持的硬度，一般称为高温硬度； ( 2 ) 钢的抗回火软化性。本课题中红硬性的测试方法是将已回火的试样放入中温箱式回火 炉中加热至6 0 0 ( 6 2 5 ，6 5 0 。c ) 并保温4 h ，冷却至室温，所测定的洛氏硬度即代表试样 在6 0 0 ( 6 2 5 ，6 5 0 ) 的红硬性。 2 6 断口分析 崩刃是高速钢刀具失效的一种主要形式。通过研究高速钢完全断裂的宏观特征、微观形 貌、断裂机理，可以分析出高速钢断裂的内在和外在因素。 高速钢回火后为典型的脆性材料，其断口形貌与塑性材料有很大的区别，断裂前塑性变 形很小。高速钢的正常断口呈细瓷片状，断面光滑、有金属光泽，韧性较好；晶粒比较粗大 时，断口粗糙且晶粒可见，此时韧性最差；混晶发生时，断口为典型的“萘状”断口，整个 断面上分布有大小不一的萘斑，其韧性介于细晶断口与粗晶断口之间。在实际生产过程中， 粗晶引起的断裂容易避免，但混晶发生的随机性较大，对高速钢性能的危害较大1 1 2 j 。 试验中采用体视显微镜和扫描电子显微镜( s e m ) 对试验钢断口的宏观及微观形貌进 行分析。 参考文献 【l 】北京钢铁研究总院、重庆特殊钢厂等g b t 8 3 5 9 8 7 高速钢中碳化物相的定量分析x 射 线衍射法 s 】北京：中国标准出版社，1 9 8 7 【2 】王彪，卢翠芬通用高速钢中碳化物的x 射线衍射法定量分析阴冶金分析，1 9 8 2 ，( 4 ) ： 9 1 2 【3 】余煜材料结构分析基础【m 】北京：科学出版社，2 0 0 0 ，1 7 0 - 2 3 4 【4 】祁景玉x 射线结构分析【m 】上海：同济大学出版社，2 0 0 3 ，6 7 8 6 【5 】北京钢铁研究总院g b5 2 2 5 8 5 金属材料定量相分析x 射线衍射k 值法【s 】北京：中 国标准出版社，1 9 8 5 【6 】陆金生，王彪，姚影澄钢和合金中常见相x 射线鉴定手册【m 】北京：钢铁研究总院， 1 9 9 0 ，1 8 6 【7 】束德林金属力学性能【m 】第二版北京：机械工业出版社，1 9 9 9 ，4 5 7 6 【8 】钢铁研究总院g b t 2 3 1 1 2 0 0 2 金属布氏硬度试验第l 部分：试验方法 s 】北京：中 华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2 0 0 2 【9 】钢铁研究总院g b t 2 3 0 1 2 0 0 4 金属洛氏硬度试验第l 部分：试验方法【s 】北京：中 1 9 第二章试验材料与方法 国国家标准管理化委员会，2 0 0 4 【l i d 】钢铁研究总院g b t 1 8 1 7 1 9 9 5 硬质合金常温冲击韧性试验方法【s 】北京：中国标准出 版社，1 9 9 5 【l l 】邓玉昆，陈景榕，王世章高速工具钢 m 】北京：冶金工业出版社，2 0 0 2 ，2 3 5 3 0 3 【1 2 】郭耕三高速钢及其热处理【m 】北京：机械- r , _ l k 出版社，1 9 8 5 ，1 3 2 - 1 9 9 【1 3 】黄继武m d ij a d e 使用手册：x 射线衍射实验操作指导 m c d 湖南：中南大学，2 0 0 6 ， 2 0 2 4 第三章稀土对低合金高速钢组织和性能的影响 第三章稀土对低合金高速钢组织和性能的影响 高速钢属于高碳高合金莱氏体钢，铸态组织中含有大量共晶碳化物。这些碳化物形态各 异，对钢的加工性能，以及最终的使用性能都有很大影响。改善高速钢中碳化物形貌和分布 的主要方法是电渣重熔法，该方法不但可以细化共晶碳化物，而且可以进一步除去钢中的夹 杂，目前在华久特钢公司的高速钢生产过程中被广泛采用，但仍未达到理想效果。 在高速钢中添加稀土( r e ) 可以改善碳化物的分布，明显细化淬火奥氏体晶粒，而且 操作性强，成本低廉，是改善高速钢加工性能及使用