（材料加工工程专业论文）斜坡预结晶法制备高速钢坯料的工艺研究.pdf

北京交通人学硕十学位论文中文摘要 中文摘要 高速工具钢以其独特的优势在切削领域中一直都占有很重要的地位。众多的研 究表明，在经过精加工和热处理的高速钢刀具的内部初生碳化物的尺寸和分布除 了受热加工变形影响以外，在很大程度上还决定于坯料枝晶间的莱氏体网状组织。 因此，如何改善冶金工艺、控制高速钢坯的凝固过程，从而获得具有均匀细小的 铸态组织的坯料，是高速钢生产中一直关注的重点问题之一。半固态成形技术由 于其在获得均匀、细晶组织、提高性能、缩短加工工序、节约能源等方面有其独 特的优势，为解决这一问题，获得高质量高速钢坯料提供了一条新的途径。 本实验以m 2 高速钢为研究对象，采用斜坡预结晶法制备高速钢半固态坯料。 研究了浇注温度、斜坡长度、角度对坯料显微组织的影响规律，获得了理想的高 速钢半固态非枝晶组织，网状碳化物均匀、细小，并且从平均等效直径、形状系 数和碳化物平均厚度方面对坯料显微组织进行了定量评价。根据实验结果探讨了 斜坡预结晶法制备高速钢半固态坯料的成形机理 研究发现：采用低温浇注斜坡预结晶法制备m 2 高速钢半固态坯料，通过控制 合适的浇注温度，斜坡长度和角度，可以获得球形或近球形的初生奥氏体非枝晶 组织，并对共晶莱氏体网状碳化物有一定的细化作用。得到了在本实验条件下的 最优化工艺参数：浇注温度为1 4 8 0 左右，斜坡的长度为5 0 0 | 1 n m ，角度为6 0 。 所获得的晶粒平均等效直径为5 0 8 “m ，形状因子为o 8 3 ，碳化物的平均厚度为 5 2 1 “m 关键词：半固态成形：斜坡预结晶；m 2 高速钢；莱氏体碳化物 北京交通人学硕十学位论文 a b s t r a c i h i g i is p e c ds t e e l ( h s s ) h 弱i m p o n a n tp o s i t i o ni nc i l t t i n gf i e l df o ri t sh i g l lp a n i c i i l 盯 a d v 锄t a g e s n u m e r o u si n v e s t i g a t i o n sh a v ej i l d i c a t e dt l l a ti n t e r i o rp r i m a r yc 缸b i d es i z e a n dd i s t r i b u t i o no fh s si n g o t sc a nb ea 晚c t e dn o to n l yb yh o t w o r k i n gd e f o 姗a l i o n b u t a l s ob yl e d e b u r i t ce u t e c t i cn e t 】l ，o r ks t m d u r ct 0s o m ee x t e n t t h e 咒b y ，h o wt oi m p r o 、，e m e t a l l u 唱yt e c h n o l o g y扯dc o n t f o l t h es o l i d i f i e d p r o c e 豁 0 fh s si n g o t s ，锄d c 0 璐e q u c n t l ya c q u 晚h o m o g c n e o u sc 弱缸gs t n i c t u f c o fs t e e li n g o t sa r ci m p o n 柚t p r o b l e 脚a ta i l t i m e si nh s sp m d u c l i 伽s 锄i 一l i df b 加i n gt e c h n o l o g yi san c wm e t a l f o 】f n l i n gm e t h o d 1 t su n i q u ea d v a n t a g i na c q u i r i n gu n j f o 加，f i n e 争a i n 咖c t u ， s h o n 锄i n gm 粕u f a 咖r i n gp m c c d u r c ，e r g y 鲫l s e n ，a t i o n 锄ds o o nw i l lp m v i d ean 哪 a p p r o a c hf o rs o l v i n gt h i sp m b l e m s 柚da c q u i 血gh i g hq u a l i t yh s si n g o t s h lt l l i s p a p c rs 锄i - l i dm 2h s sj i l g o 协、c p r 印撇db y i l l c l i n e ds l o p c p r c c r y s t a l l j z a t i m e t h o d t h ee f f e c t so fc 弱缸gt e m p c m t l l r e ，s l 叩el 朋百ha n d 粕酉e t l l cm i c m s t m c t l 鹏o fh s si n g o t sh a v cb c 吼c x p l o r e d ，柚dt h ep e 觑ts e m i - s o l i d n o n - d e n d r i t i cu n i f o 肋a n df i n en e t w o r kc a r b i d es t n l c t l l 北o fh s s i n 窖d t sw 勰o b t a i n e d ； m o r e o v e f t l i cm i c s t n l c t i i r cw 弱q u 柚t i t a t i v e l ya 豁e s s c d 柚dc h a 船c t c r i z e db ym c 弛 e q u i v a l e n td i a m c t s h a p ef 撕叫柚dm e 柚t l l i c i 【i l e s so fc a r b i d c ；a tl a 瓯t l l ef b 皿i n g m c c h 柚i s mo fs 啪i - l i dh s si n g o t su s i n gj l i d i n e ds l o p ep 陀- c r y s t a l l i z a t i o nm e t h o d w 粥d i s c u s s c da c c o r d i n gt ot h ce x p e r i m e n tr c s u l t n e e x p c r i m e n t ss h o wt h a tb yu s j n gc o l dp o u r i n gi n d i n e ds l o p ep r e c f y s t a l l i z a t i m e t l l o d ，a n dt h r o u g hc o n 仃o l l i n ga p p r o p r i a t ep o u r i n gt e m p e r a t u r c ，i i l c l i n e ds i o p el e n 殍h 柚da i i 出e ，m 2h s si n g o t so f 掣o b u l 盯0 ra p p r o x i m a t eg l o b u l 觚n d e n t r i t i cp m a r y a u s t e n “em i c r o s t m d u r e 锄dd e f i n i t c 勘e “t e c t i cl e d e b u r i t en c tc a r b i d ec a nb eo b t a i n e d a n dt i i eo p t i m u mp r o c c s s i n gp a r a m e t e 惜i nt l l i sc x p e r i m e n t n d i t i w e r cg a j n e d ： p o u r i n gt c m p e r a t u r ei sa b o u “4 8 0 ，t h ci n c l i n e ds l o p cl e n 舀ha n da i l 脚ea r c5 0 0 | l i l m ， 6 0 。，m e 锄e q u i v a l e n td i 锄e t e ro fa c q u i r e dc r y s t a lg r a i ni s5 0 即m ，s h a p ef a c t o ri s0 8 3 ， m e a nt h i c k n e s si s5 2 1 “m k e y w o r d s ：s e m i s o l i df b n n i n g ；i n c l i n e ds l o p ep r e c r y s t a l l i z a t i o n ；m 2h s s ； l e d e b u r i t ee u t e c t i cc a r b i d e 致谢 本论文的工作是在我的导师邢书明教授的悉心指导下完成的，邢书明教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。三年来，邢老师以他 渊博的知识、严谨的工作作风、以及缜密的思维时时刻刻影响着我的心灵，陶冶 着我的情操，它将成为我人生中最为宝贵的财富。在本论文交付之际，谨向恩师 致以崇高的敬意和深深的感谢。我将牢记恩师的教诲，继续努力，为祖国的建设 和发展贡献出自己的力量。7 特别感谢邢文斌工程师对我的实验中许多具体的技术问题给予的指导、帮助 和难以计数的鼓励和关怀，我将铭记在心。 在论文研究工作中，还得到了张励忠副教授和鲍培玮老师的指导、关心和帮 助。同时，师兄刘文、师弟勾军年、李楠、谭彦龙、吴夏玲和徐燕超等以及同级 的肖黎明、张密兰、张琳等同学给予我热情的帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 最后要感谢我的家人和女朋友马秋丽对我研究生学习、工作的支持和鼓励。 北京交通人学硕士学位论文引言 1 1 研究的意义 l 引言 高速钢是高速工具钢的简称。在我国冶金业中一般简称高工钢，民间俗称锋 钢。近年来，高速钢材世界年产量约2 5 万吨，我国年产量约3 4 万吨。它虽然年 产量不大但由于成分复杂，合金含量高，生产工艺和性能特殊，价格昂贵，因此 在特殊钢中一直占有独特的地位。高速钢是一种高碳高合金莱氏体钢，它含有碳、 钨、铬、矾等多种合金元素，具有很高的硬度、耐热性和耐磨性，主要用作各类 机床的切削加工刀具，也有部分用于高载荷模具、航空高温轴承及特殊耐热耐磨 零部件等。自1 9 世纪末高速钢发明至今已经有近百年的历史，人们在合金化、钢 种、生产工艺、热处理、性能及显微组织等方面进行了许多卓有成效的工作，可 以说已经达到成熟的阶段。1 9 3 0 年以前切削工具的材料主要是依赖高速钢，自从 硬质合金问世以来，由于其热硬性、硬度及耐磨性远远超过高速钢，在某些切削 领域，硬质合金迅速替代了高速钢。2 0 世纪中期以后，世界科学技术得到了飞速 发展，作为机械制造业中最重要的切削技术也是如此。许多超硬工具材料如面c 基硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷和金属陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石等等不 断出现，在切削速度、切削效率及切削难加工材料上高速钢都无法与其相提并论。 但是，高速钢的韧性，工具成型性却是任何脆性的超硬性工具材料所无法比拟的， 而且高速钢刀具，尤其是复杂、精密刀具的制造成本较低。加之，高速钢合金化、 冶金生产及热处理技术的不断进步，使其自身的使用性能不断的提高。因此，尽 管在单刃刀具高速切削与难加工材料领域中硬质合金等所占的份额日益增多，但 在多刃刀具( 尤其是复杂、精密刀具) 、经受冲击和振动的切削加工以及在加工一 般材料时，高速钢仍然会占有很重要的地位。 高速钢的生产虽然涉及铸坯( 锭) 、塑性变形和热处理等众多环节，但坯料的 制备是整个生产过程的基础。如果坯料质量低下，即使通过塑性变形和热处理能 够在一定程度上得到改善，也需要付出巨大的代价。众多的实践和研究反复证明， 在经过精加工和热处理的高速钢刀具的内部初生碳化物的尺寸和分布除了受热加 工变形影响以外，在很大程度上还决定于坯料枝晶i 日j 的莱氏体网状组织。因此， 如何改善冶金工艺、控制高速钢坯的凝固过程，从而获得具有均匀细小的铸念组 织的坯料，一直是高速钢技术领域的一个重要的研究方向l l 】 北京交通人学硕+ 学位论文 引言 1 2 国内外高速钢坯料的制备工艺 高速钢坯料的生产过程包括熔炼、精炼和铸坯三个基本环节。其中早期的高 速钢都是用坩埚法进行冶炼，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、粉末冶金、喷射成型及其连续铸造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 2 1 电渣重熔制坯法 电渣重熔法( e s r 法) 【2 5 j 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，如图1 1 所示。它将精炼与铸坯熔为一体，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。现在英、美、德、瑞典、日本、法国等的一些主要钢厂已都用电 渣重熔法生产高质量的高速钢，主要用于大型钢坯或锭( d 1 5 0 i n m 以上) 的生产 1 自耗电极 2 结晶器 3 渣池 4 熔池 5 铸件 6 进水口及出水口 7 循环冷却水 8 电源 图1 1 电渣熔铸基本原理示意图 f i 9 1 1s c h 锄a t i cd i a 伊锄o fe s r c b a s i cf i i n d a m c n t a l 电渣重熔法的主要优点是：( 1 ) 因水冷结晶器直径大，纵向温度梯度较大，电 渣重熔的钢水熔池要比真空冶炼法的钢水熔池浅，这样使电渣重熔法的偏析程度 比真空电弧冶炼法小，所以电渣重熔钢的加工性能很好。( 2 ) 电极是依次熔化，新 的钢水从上面不断供给，溶质的浓度梯度很小，所以得到的钢组织要比普通冶炼 的钢锭组织致密的多，明显改善了初始共晶碳化物的分布，使钢锭的中心与边沿 部分无偏析，没有中心疏松。( 3 ) 电渣重熔高速钢的晶粒度、碳化物的网状连续性 和碳化物的级别与相同尺寸的、用普通电炉冶炼浇注的高速钢锭的外部激冷区域 2 北京交通人学硕十学位论文引言 相近似l ”。( 4 ) 由于电渣的去硫作用，使钢的含硫量降低，并使有害杂质减少，提 高了钢的可锻性。( 5 ) 电渣重熔钢锭的碳化物在钢锭整个区域的分布都是比较均匀 的。j 下是这些明显的优点，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 ) 由于电渣重熔的熔炼和凝固速度偏低、晶粒尺寸和碳化物尺寸仍然较大， 必须配合后续的大变形量塑性加工，才能获得满足使用要求的刀坯或型材。也正 是这个原因，电渣重熔法得到的坯料尺寸不能太小，否则无法满足破碎碳化物的 锻比需要。这种大截面坯料的大变形量锻造要求必须使用大吨位的锻造设备，增 加了后道工序的生产成本。 ( 2 ) 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 【鲫】。若每度电按o 6 元计算，则仅因为重熔带来 的成本增加就近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吨钢成本增加将近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 f 2 ) 造渣，会产生氟化物， 对环境和人体的危害极大川。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 ( 4 ) 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。 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 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l 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 环境恶化日趋严峻的形势下，值得探讨其替代工艺，实现高速钢的绿色制造 1 2 2 高速钢连铸 连铸的应用是1 9 世纪以来钢铁工业的三大技术进步之一，对提高金属收得率、 节能降耗、降低成本、提高生产率等具有极大的作用。但在高速钢生产上的应用 却十分迟缓，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、延展性查及组织偏析等) 导致连铸拉漏、断裂及裂纹，成功率很低。 尽管如此，人们的探索努力却从未间断。随着连铸技术的进步和发展，高速 钢生产的应用也相继取得了突破性进展。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钢连铸的情况i “。 连铸机为立弯式，下部弯曲半径为5 6 m ，铸坯为8 0 m m 8 0 m m 断面，拉至水平 北京交通人学硕十学位论文引言 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m 2 。1 9 8 9 年初， 奥地利b o h l e r 公司在k a p f e n b e r g 工厂投产了一台水平连铸机用于生产特殊钢，次 年9 月第二台水平连铸机投产使用后，连铸能力达到4 万w “j 。1 9 9 6 年闩本大同 特殊钢公司报道【1 2 1 ，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 1 0 m ，铸坯断面： 1 4 6 m m x l 4 6 m m 、1 8 5 m m 1 8 5 m m 、1 5 0 m m 3 0 0 4 ( 1 0 i n m ，最大铸：速3 5 m m n l 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 l n f e l d 钢厂【1 3 】。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( 结晶器上端至切个水平线) 为9 4 5 m m ，铸坯切 断长度为1 5 0 2 0 m ，断面为1 4 0 m m 1 8 5 m m 、1 4 5 m m x l 4 5 m m 、1 2 5 m m 1 2 5 m m 、 1 0 0 m m 1 0 0 i i l m 。 根据上述情况，说明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。然而，高速钢连铸 技术在我国至今尚属空白，这可能也我国特殊钢整体连铸水平偏低有关。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，高速钢连铸是有发展前途 的。 1 2 3 粉末冶金高速钢 近年来高速钢的最大变革就是发展了粉末冶金高速钢i 体墙i 。粉末冶金高速钢 的基本过程是：首先用高压氩气或氮气雾化熔融高速钢水，经急冷和筛选后得到 均径o 4 m m 以下的细小的高速钢粉末，然后在真空( o 0 4 m m h g ) 状态下，密闭烧 结达到密度6 5 ；再在约1 1 0 0 。c 高温、3 0 0 m p a 高压下制成密度1 0 0 的刀坯，或 先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。 粉末冶金高速钢有效地解决了熔炼高速钢在铸锭时要产生粗大碳化物偏析的 问题，它无论截面有多大，其碳化物分布均可达到1 级，碳化物晶粒极细，小于 0 0 0 2 m m l l 5 l ( 熔炼高速钢碳化物晶粒为o 0 0 8 加0 2 m m ) 。因此，粉末冶会高速钢的 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，粉末冶会高速钢的常用硬度能提高1 1 5 h r c ，高温硬度 ( 5 5 0 6 0 0 。c ) 提高尤为显著，故粉末冶会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 4 北京交通人学硕十学位论文引言 的熔炼高速钢，故粉末冶金高速钢允许提高矾的含量【1 6 l ，且便于制造刃型复杂的 刀具。粉末冶金高速钢的热处理变形亦较小。 正是由于粉末冶金高速钢有这些独特的技术优势，国内外都对此给予了极大 关注。事实上，2 0 世纪7 0 年代初，国外已有粉末冶金高速钢刀具商品，随后几十 年来发展较快，在高速钢刀具材料中己占有一定份额。美国c m c i b l e 已可提供近 2 0 种粉末冶金高速钢。日本的神户制钢所、日立金属公司均可提供近1 0 种粉末冶 金高速钢，供应量也在迅速增长。日本著名的o s g 公司用粉末冶金高速钢制造了 钻头、铣刀、丝锥等。n a c h i 公司制造了滚刀、插齿刀、剃齿刀。c a r p e n t e r 公司 的新型高合金高速钢m i c r 0 - m e l tm 积觚c t ，在测试温度在1 0 0 0 。f ( 5 3 8 0 c ) 时，其 红硬性为6 3 o h r c 。此外，英国、法国以及瑞典的e r a s t e e l 公司等等都在研究 和批量生产粉末冶金高速钢。 我国自2 0 世纪7 0 年代中期以来，亦对粉末冶金高速钢进行了研究和试制， 也取得了一定的成果。如冶金部钢铁研究总院研制了粉末冶金高速钢f w l 2 q 4 v 5 ( 牌号为e t l 5 ) 和f w l 0 m 0 5 0 4 、，2 c o l 2 ( f r 7 1 ) ，北京工具研究所研制了水雾化 的w 1 8 c v ( g f l ) ，w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ( g f 2 ) ，上海材料研究所研制了粉末冶金高速 钢w 1 8 c r 4 v ( p t l ) 和w 1 2 m 0 3 c r 4 v 3 n ( p v n ) ，这些高速钢的机械性能和切削 性能俱佳，在加工高强度钢、高温合金、钛合金和其它难加工材料中，发挥了优 越性。但因粉末冶金高速钢的生产过程比较复杂，价格高达熔炼高速钢的1 0 倍以 上，限制了它的推广使用。在我国提供的粉末冶金高速钢品种较少，市场用量也 很少，依然没有大规模的应用于实际的工业生产中。 可见，粉末冶金高速钢虽然克服了熔炼高速钢和电渣重熔高速钢质量较低的 问题，为制坯或获得刀具毛坯提供了一条崭新的技术途径，特别是在改善碳化物 形态与分布、细化组织、获得高性能方面具有独特的优势，但其工艺复杂、成本 过高，难以成为我国高速钢生产的主流技术。探索低成本高质量的高速钢坯料制 备技术依然是一个急迫的任务，半固态成型技术为高速钢坯料的制备提供了一条 新的思路。 1 3 半固态成型及其浆料的制备技术 1 3 1 半固态成形技术 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院的m c f 1 e m i n g s 和d b s p c n c e r 等研究 人员发现，对处于结晶温度范围的会属进行剧烈搅拌后，即使固相分数达6 0 仍 具有良好的流动性，可以用铸造方法顺利成形，并把这种成形方法称为流变成形。 北京交通人学硕七学位论文引言 进一步的试验还发现，经过剧烈搅拌的固液共存金属浆料浇注成锭或坯，然后重 新加热到半固态温度后，在切应力作用下又可恢复良好的流动性进行各种成形， 并称这种成形方法为触变成形i 挣2 。由于该技术采用了非枝晶半固态浆料，打破 了传统的枝晶凝固模式，所以半固态金属与过热的液态金属相比，含有一定体积 比率的球状初生固相，与固态金属相比，又含有一定比率的液相。因此，半固态 金属成形在获得均匀、细晶组织、提高性能、缩短加工工序、节约能源等方面有 其独特的优势，非常适合于现代金属材料的成形加工。2 0 世纪8 0 年代后期以来， 半固态加工技术得到了各国科技工作者的普遍重视，目前已经针对这种技术开展 了许多工艺实验和理论研究。从研究的材料来看，可分为有色金属及其合金的低 熔点材料半固态加工和钢铁材料等高熔点金属材料及复合材料的半固态加工，其 应用领域也在逐年地增加。 1 3 2 半固态浆料的制备技术 半固态加工的关键技术在于如何制备液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相 组分的固液混合浆料。常用的半固态金属浆料制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌 法和应变诱发熔化激活技术( s t r a i n b d u c c dm e l t a c t i v a t i ，简称s i m a ) 。 机械搅拌法1 1 蛆1 】是最早采用的方法，是利用旋转的叶片将凝固中的枝晶打碎， 获得流动性很好的金属浆料。其设备结构简单，它可以通过控制搅拌温度、搅拌 速度和冷却速度等参数，使初生树枝状品破碎而成为颗粒结构。试验结果表明， 采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球形微观组织，但 是在搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区，影响了浆料的均匀性，而且搅拌叶 片的腐蚀问题以及它对半固态金属浆料的污染都会对半固态坯料带来不利的影 响。 电磁搅拌法【2 2 粕l 是利用电磁力的作用，加速凝固中金属的流动，削弱柱状晶 生长，并细化晶粒，从而提高铸锭的内在质量，还可以提高铸锭的表面质量。但 电磁搅拌本身有一些缺点，设备复杂，设备费用高，能耗大，生产成本高，其最 大的缺点是不能生产尺寸大的铸坯，通常认为直径大于1 5 2 m m 的铸坯不宜采用电 磁搅拌法生产。 在过去3 0 年的研究期问，半固态成形技术的研究主要集中在轻合金、低熔点 的合会材料上，如铝基、锌基、锡基合会等。镁基合会半固念成形技术也日趋成 熟。尽管美国、只本与欧洲一些国家也在不锈钢、高速钢、铁合金等高熔点合金 领域罩面展开了一些探索性的研究，但是高熔点的钢铁材料的半固态材料的制备 与成形还是个难题，相对研究较少。目前，我国钢铁材料的半固态制备技术主 6 北京交通人学硕十学位论文 引言 要采用电磁搅拌工艺，我国钢铁材料的半固态成形列为国家自然科学基金重大项 目，进行了具有重要意义的研究和探索【2 7 1 。但是电磁搅拌的设备投资大，另外， 钢的密度大约是铝的3 倍，而导电率大约是铝的1 6 ，因此要实现良好的搅拌作用 比铝困难的多，参数控制很严格。 斜坡预结晶法作为一种新的半固态制备工艺，它具有生产成本低、能耗低、 生产效率高、设备简单、操作方便、可以生产尺寸较大的半固态坯料等优点，逐 渐引起国内外学者的关注。所以本文将采用斜坡预结晶法来制备高速钢半固态坯 料。 1 4 斜坡预结晶法的研究现状综述 斜坡预结晶法( h l c l i n e ds l o p ep 他c r y s t a l l i z a t i m e t h o d ) 【勰瑚】作为制备细晶 材料的一种工艺手段曾被讨论过，作为一种新的半固态成形技术的构想在近年才 被人们重视，具有工艺简捷、设备成本低廉的特点。这种方法是沿用了冶金上利 用快速凝固技术制备细晶材料的工艺，如图1 2 所示。冷却斜坡一般是由合金钢制 成，斜坡内部采用水冷却，斜坡的表面涂镀一层氮化硼( b n ) 以防止半固态金属 粘附在冷却斜坡表面上。斜坡预结晶法的原理为：将熔融金属倒在冷却斜坡上， 由于斜坡的冷却作用，在斜坡壁上有细小的晶粒形核长大，金属流体的冲击和材 料的自重作用使晶粒从斜坡壁上脱落并翻转，以达到搅拌效果。金属进入容器后， 将其温度控制在半固态温度，随后可进行流变铸造和触变成形。近年来，该方法 作为制备半固态材料的新思路受到重视，1 9 9 8 年由日本u b e 工业株式会社发明用 于制备铝合金和镁合金的半固态坯料的新工艺，已在欧洲申请了专利【3 l j 。 大阪工业大学的t o s h i oh a g a m 、设菲尔德大学的p l a t o 勋p 瑚o s 【3 3 矧、亚琛工 业大学的t g r i m m i 一3 6 1 、千叶工业大学的t m o t e 西1 3 7 1 和伊朗德黑兰大学的 s s a i a r f a r ，f ：a 址l a 曲1 3 蜊q 等人对斜坡预结晶法作了较系统地研究，t m o t e 西和 f a b c 己成功制备出含有大量共晶组织的a 1 s i m g 合金坯料，坯料尺寸为直径 5 0 m m ，长度1 0 0 0 m m ，同时该方法在欧洲和美国正在进行商业化运作。 7 北京交通人学硕十学衍论文 引言 生 图1 2 斜坡预结晶法示意图 f i g1 2s c h e m a t i cm u s t n t i o no fi n c h n e ds l o p ep 托c r y s t a l l i z a t i o nm e t h o d 大阪工业大学t o s h i oh a g ai 划和设菲尔德大学p 1 ( _ a p 砌o s l 3 5 】用斜坡预结晶法 制备了a 3 5 6 铝合金半固态坯料并进行了触变成形。他们采用的斜坡是由中碳钢制 作的，中间通水，上面刷了一层氮化硼( b n ) ，研究了浇注温度、斜坡的长度、以 及铸型的冷却速度对组织的影响。主要工艺参数见如表1 1 。 t o s h i oh a g a 认为，在斜坡的角度为6 0 。、浇注温度为6 4 0 、铸型采用金属 型冷却，当斜坡的长度为1 0 0 岫m 时，坯料的组织主要是等轴晶，而斜坡的长度为 3 0 0 i l 啪时，坯料的组织主要是类球状晶。淬火后两个坯料的组织都变为球形所 以，他认为当斜坡长度为1 0 0 l l n m 和3 0 0 | l i l m 时的得到的半固态坯料都可以满足触 变成形的要求。但是，3 0 0 1 l 珊得到的坯料的抗拉强度和延伸率都优于1 0 0 栅。 表1 11 傩h i ah a 髓和p & i p n n o s 的实验条件 t a b l c l 1e x p c f i m e n t a lc o n d i o f t o s h i ah a g aa n dp 勋p r a n o s 试样 浇注温度 斜坡参数 材料 表面涂层 角度 长度 重新加热温度 铸型 a j 6 m a s s 9 b s l 6 4 0 ( 6 6 0 ，6 8 0 ，7 2 0 ) 中碳钢 b n 6 0 。 3 0 0 m m ( 1 0 0 m m ) 6 0 0 ( 5 9 0 6 1 0 ) 金属( 陶瓷) 德国哑琛铸造学院t g r i m m i n g ，j a g u i l a r ，m f e h l b i e r 等人1 3 6 l 主要研究了斜坡 的温度和铸型的温度对组织的影响。斜坡由高温成形工具钢制作，下面通有水管 和油管可以控制斜坡的温度在1 7 到2 3 0 之间变化。斜坡的角度为5 。，长度为 4 7 0 m m ，铸型是由陶瓷材料制作，上面加盖保温，为了能使铸型的冷却速度均匀， 8 北京交通大学硕士学位论文引言 实验装置如图1 3 所示。 图1 3 实验用冷却斜坡，图中的箭头为热电偶和加热冷却装置 f i 9 1 3e x p e 由咖伽靶t u po ft h e c a l l e dc 0 0 l i n g c h a 曲e l - p f 0 慨s n e 缸t o 邺s h o w t h ec o n n c c t c d 圮姗o c o u p l 鹳a n dt h e n 鹏c 石o t ot h eh e a t i n g o k n gd e 、，i t g r i m m i n g 得出的实验结论是：斜坡的温度在1 7 到2 3 0 之间内对组织的影 响不大；铸型的温度对坯料的组织影响很大，他们分别研究了铸型的温度为4 1 8 ， 3 2 0 ，2 8 5 ，1 8 5 以及常温下坯料的组织，发现随着铸型的温度升高，坯料的组织 更加趋于树枝晶和粗化组织。比较好的组织就是在常温下的陶瓷型铸型，这样可 以得到均一细小的半固态组织。 谢菲尔德大学p 1 【a p r 姐o s ，w j 妇t t i t i c h a m e 柚等人【3 3 筇】用斜坡预结晶法制备了 7 0 7 5 ，7 0 l o 和m o d 7 0 7 5 铝合金半固态坯料，并成功地进行了半固态触变成形， 取得了很好的效果。他们采用的斜坡的角度是6 0 4 ，2 5 0 m m 长，斜坡下面通冷却 水。他们认为：斜坡的长度、角度、表面状态以及浇注温度对坯料的组织影响很 大；冷却斜坡的机理是遵循n e m i l l g s 提出的半固态初生晶粒转变机制的假说：正 常熟化引起的枝晶根部熔断假说，枝晶壁机械折断假说和枝晶壁塑性弯曲和晶界 浸润熔断假说。 日本c i t ( c l i i b ai n s t i t u t eo ft c c h n o l o g y ) t m o t c g i 和f - i 锄a b e 等人1 3 7 l ，也对 斜坡预结晶法进行了系统的研究。他们固定了斜坡的长度为2 8 0 l i i i m ，研究了角度 ( 2 0 ，4 0 ，6 0 。) 对坯料的组织的影响，他们先利用斜坡研究了铝合金和镁合金，进 而研究了铜一硒合金。他们认为斜坡预结晶法制备半固态熔体的机理主要是依据 1 9 8 2 年大野笃美提出的“结晶游离论”，当熔液经过冷却斜坡时，由于斜坡的冷却 作用，熔液将在斜坡的表面上形核，长大成头部大根部小的晶核，然后在流动的 金属熔液的冲击下将晶核破落，带到铸型中去，从而使合金液发生细化和球化。 在斜坡的表面不能形成一层稳定的凝固壳，一旦形成凝固壳这样冷却斜坡就没有 作用了，如图1 4 所示。最后得出最优化的参数是角度6 0 。，长度为2 8 0 m m 。由 于斜坡的长度已定，角度的大小就直接控制熔液的流动速度，进而影响熔液和冷 9 北京交通人学硕+ 学位论文引言 却斜坡的接触时间，然后就会影响熔液在斜坡上的形核。当斜坡的角度太小时， 熔液的流动速度太小，而且容易在斜坡上结壳，不利于形成晶核；当角度太大时， 熔液和冷却斜坡的接触时间太短，不能充分在斜坡上形核。 如图1 4 ( a ) 结晶游离论示意图和( b ) 斜坡预结晶法制备半固态浆料的原理 f i 9 1 4 m 僻t t a d o f c r y s t a l s e p 啪曲n 1 1 l e o r y ( a ) 柚d p r i n c i p l c o f g 蛐e m 如no f 喇n l i 哟瑚 s l u l r yu s i n ga nj n c l i n c ds l 叩cp 化c r y s t a i 拍妇m e t h o d ( b ) 伊朗德黑兰大学的s s a l a 响r e a k h l a g l l ，f p a l i l “柚i 等人哪3 9 】分别研了用斜坡 预结晶法制各铝合金a 3 5 6 和球墨铸铁半固态坯料。他们研究的斜坡是由铜合金组 成，上面刷一层b n 。研究了不同的角度( 3 5 6 0 。) 和不同的长度( 2 5 m 5 0 0 m m ) 对铝合金a 3 5 6 的组织的影响，最终等到了最优化的参数为角度4 5 。和长度为 4 0 0 m m 。他们的研究方法是：先确定斜坡的长度为5 0 0 i n m ，然后研究不同的角度 对组织的影响，最后得到最优化的角度为4 5 。，然后再固定角度为4 5 。研究不同 的长度对组织的影响，得到最优化的长度为4 0 0 | l l l m 。他们认为斜坡主要是为流动 的熔液提供剪切力，使晶粒得到球化。斜坡太短，剪切力对浆料的剪切时间太短， 不能使整个组织球化，依然有部分的树枝晶。斜坡太长，剪切时间太长，使晶粒 出现团聚现象。 应用同样的方法，他们研究了斜坡的角度和长度对球墨铸铁坯料组织的影响。 最后得出结论：认为最优化的角度和长度的参数是7 5 。和5 6 0 i i l m ；当斜坡的长度 比较短时，树枝晶向球状晶转变的主要机理是枝晶臂机械折断，随着斜坡的增长， 转变的主要机理分三个部分，枝晶臂塑性弯曲、产生大角度晶界和浸润熔断。 东北大学的管仁国等人【舡4 3 l 也对斜坡预结晶法做了比较深入的研究。他们研 究了斜坡的长度，角度和表面性质对1 、a 1 1 0 和1 q 1 8 n i 9 弱不锈钢坯料组 织的影响。实验证明：对不同的材料，应用斜坡与结晶法式剪切技术得到的合盒 组织演化规律基本相同。主要有两种机制，一是m o t e g i 等人的理论，认为由于在 冷却斜坡表面产生的大量的晶核被带到铸模中，从而使合会发生细化和球化。二 1 0 北京交通人学硕十学位论文引言 是合金在重力作用下的剪切力也同时对合会组织的细化和球化产生重要的作用。 在上述的两种机制下，随着合金在冷却斜坡表面不断向下移动，合金内部形成大 量的晶核和破碎的直径臂，固相晶粒之间、固相晶粒与液相之间不断发生碰撞与 摩擦，使合金周相晶粒逐渐发生细化和球化，最终得到细小近球形的合金组织。 斜坡的长度、浇注温度、冷却斜坡表面性质都对合金组织有重要的影响。 另外，南昌大学的蔡卫华等人【4 4 1 采用冷却斜管法制备了z u 0 1 半固态坯料。 昆明大学的蒋业华等人【4 5 】采用震动的冷却斜坡研究了流变铸造半固态亚共晶高铬 铸铁组织形成研究。 1 5 研究方案 1 5 1 研究目标 综合上述分析可以看出，目前国内外高速钢生产工艺主要采用的是模铸、电 渣重熔、粉末冶金和连铸等技术。在我国主要采用的依然是比较落后的模铸和电 渣重熔，还有少量的粉末冶金，但都存在着不同程度的问题。因此，探索低成本 高质量的高速钢坯料制备技术依然是一个急迫的任务，半固态成型技术为高速钢 坯料的制备提供了一条新的思路。斜坡预结晶法作为半固态坯料制备方法之一近 年来受到人们重视，逐步由有色金属向黑色金属过渡。但是，关于斜坡预结晶法 的原理以及非枝晶组织的形成与演变规律尚无定论；关于斜坡的长度、角度和表 面状态等对组织的影响规律和最优化的参数研究没有统一的说法，值得继续探讨。 据此，本论文的研究目标确定为： ( 1 ) 得到斜坡的长度、角度的交互作用以及浇注温度对m 2 高速钢坯料组织的 影响规律，得到这些因素的影响规律以及最优化的参数值。 ( 2 ) 以难变形m 2 高速钢材料为研究对象，应用斜坡预结晶法，揭示其非枝晶 粒状组织的形成与演变规律，为半固态高速钢坯料的组织控制提供理论指导。 1 5 2 主要技术路线 现有的非枝晶半固态制浆技术已经为半固态高速钢坯料的制备奠定了良好的 基础。本文将采用斜坡预结晶法来制备高速钢坯料，它具有生产成本低、能耗低、 生产效率高、设备简单、操作方便、可以生产尺寸较大的半固态坯料等优点。本 试验将采用耐火材料做成的斜坡表面，具有一定的保温作用和表面粗糙度，这样 可以增加形核率和防止熔液在斜坡表面产生凝固壳，这样可以使熔液可以在一个 北京交通人学硕十学位论文引言 相对平缓的温降下流动，有利于晶粒的球化和细化。 与传统的斜坡预结晶法应用的斜坡相比较有如下几个明显的优势： ( 1 ) 在满足可以顺利充满型腔的前提下，可以尽可能的降低浇注温度； ( 2 ) 斜坡的保温作用可以尽量地避免在流动的过程中在斜坡表面产生凝固壳； ( 3 ) 可以相对地增加斜坡的长度，这样使熔液和斜坡的接触时| 日j 增长，提高了 熔液的流动速度，更加有利于晶粒的球化和细化，较少了偏析。 1 5 - 3 主要研究内容 为了实现上述研究目标，必须进行如下研究： ( 1 ) 实验设备的设计与准备： 制作一组斜坡，可以满足不同角度和不同长度的实验。斜坡表面由耐火材料 组成，上面刷一层耐火涂料。因此，斜坡的设计是整个研究工作的前提。 ( 2 ) 工艺参数对高速钢坯料组织影响规律的研究； 通过这一研究，可以研究出斜坡的长度、角度和浇注温度等对坯料组织的影 响规律，得到最优化的工艺参数。为今后通过控制斜坡的工艺参数来控制坯料的 组织提供指导。 ( 3 ) 斜坡预结晶高速钢半固态坯料成形机理探讨 在使用斜坡预结晶法制备半固态坯料时，浆料是通过在斜坡的连续冷却和剪 切作用下制得的。所得坯料中初生奥氏体的形貌，颗粒尺寸的大小，都会对影响 到莱氏体网状碳化物的平均厚度，进而影响到坯料的质量和性能。因此，对斜坡 的机理和初尘固相的形成和演变规律的研究是必不可少的研究内容。 1 6 小结 在综合分析了目前高速钢坯料的制备工艺中存在的问题和半固念加工技术的 研究现状及发展趋势的基础上，提出了应用斜坡预结晶法来制备m 2 高速钢半固态 坯料的研究方案。这一方案将半固态技术的优势应用于解决m 2 高速钢坯料制备工 艺中存在的问题，为高速钢坯料的制备提供了一条崭新的思路。同时，又为黑色 金属的半固念研究提供了宝贵经验。 北京交通人学硕十学位论文研究方法及分析手段 2 1 实验方法的设计 2 研究方法及分析手段 斜坡预结晶法( i i l d i n e ds l o p ep r e 耐y s t a l l i z a t i o nm e t h o d ) 作为一种新的制备半 固态坯料的方法在近年已被人们重视。众多的研究者已经对该技术做了大量的研 究，研究发现：斜坡的长度、角度、表面状态、斜坡的温度、浇注温度和铸型的 温度等工艺参数对坯料的组织都有一定的影响，但是对工艺参数对组织的影响规 律尚未有一个统一的说法1 3 事4 5 1 。( 见表2 1 ) 表2 1 目前各国学者对斜坡预结晶法的研究状况 t a b l e 2 1p r e 咖ts t a t u so f i n c l i l l e ds l o p ep f c c r y s t a l l i 船t i o n 舭t h o d i nd 胁啪tc