（材料物理与化学专业论文）高速钢快速凝固铸带亚稳相的研究与控制.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘 要 薄带连铸技术被称为2 1 世纪前沿连铸技术。它是由液态金属直接加工成金属 薄带成品或半成品的一种新型加工工艺，与传统铸造工艺相比有着显著的优势， 是扁平钢铁产品生产技术优化发展的方向，是钢铁企业实现优化生产流程的关键 技术。 本文分析了用实验室双辊薄带连铸机组生产出的高速钢快速凝固铸带组织特 征，初步探索了后续高温热处理对铸带中共晶碳化物的影响规律，并进行了一系 列的定量金相实验和透射电镜实验。实验结果表明：快速凝固技术有效地细化了 高速钢铸带组织中共晶碳化物颗粒的尺寸，改善了组织中共晶碳化物的分布：后 续热处理工艺不同程度地细化了高速钢铸带坯组织中共晶碳化物的尺寸，改善了 高速钢铸带组织中共晶碳化物的分布情况，减少和细化了铸带组织中的网状碳化 物，实验室机组生产的高速钢快速凝固铸带的最佳热处理制度是在1 2 0 0 下进行 保温1 h 的后续热处理。 为加速双辊薄带连铸高速钢快速凝固铸带的工业化生产进程，在前述实验工 作的基础上对工业机组生产的高速钢快速凝固铸带进行了高温热处理和热加工变 形实验，探索了高温热处理和热加工变形对工业机组铸带中共晶碳化物的影响情 况，并比较分析了在相同的热处理和热加工制度下，二者先后工序不同对铸带中 共晶碳化物的影响规律。定量金相实验和透射电镜实验结果表明：由于工业机组 生产的铸带凝固速度较实验室条件下更快，铸带中的共晶碳化物颗粒和片层间距 更加细小，在后续处理中更容易通过亚稳相的分解来使铸带中的共晶碳化物变得 细小、弥散和均匀；比较不同的热处理制度和热加工铡度及其工序对铸带组织的 影响可以得出，先将铸带加热至1 2 0 0 保温4 0 m i n 后再进行5 0 加工变形量的处 理工艺较为合理，它可以使铸带中的亚稳相较大程度的分解，并可以通过后续的 热加工变形使铸带中的碳化物得以进一步的破碎，该处理条件下的铸带组织最佳。 本文最后综合两种不同机组下热处理及热加工工艺对铸带组织中亚稳相分解 的影响情况，研究了在快速凝固条件下亚稳相的形成、分解情况，提出了防止由 于保温时间过长导致碳化物异常长大的措施。 关键词：双辊薄带连铸，快速凝固，高速钢，碳化物，热处理，亚稳相 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h et w i n r o l lc a s ts t r i pt e c h n o l o g yw a sc o n s i d e r e da st h en e w e s to n ei nt h e2 1 “ c e n t u r y i tc o u l dc h a n g et h em e l tm e t a li n t os e l i l i f i n i s h e do rf i n i s h e dp r o d u c t sd i r e c t l y , a n d h a dt h eo b v i o u sa d v a n t a g e si nc o m p a r i s o nw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e i tw a st h et r e n d o ft h e t h i ns t e e lp r o d u c t i o na n dt h ek e yt e c h n o l o g yt om a k et h ei r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e sm o d e r n i z e d t h em i c r o s a - u c t u r eo ft h eh i 曲s p e e ds t e e l ( h s sf o rs h o r t ) p r o d u c e db yt h e t w i n r o l lc a s t e rw i t hr a p i ds o l i d i f i c a t i o ni nl a bw a sa n a l y s i z e d ，t h el a w st h a tt h ee f f e c t s a r o u s e df i o m t h ed i f f e r e n th e a t - t r e a t m e n tw e r ee x p l o r e d t h ee x p e r i m e n t so f q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dt e ms h o w e dt h a tr a p i ds o l i d i f i c a t i o nc o u l dr e f i n et h ee n t e e t i c c a r b i d e si nh s s ，i m p r o v et h ed i s t r i b u t i o no ft h ee u t e c t i cc a r b i d e s h e a t t r e a t m e n tc o u l d r e f i n et h ec a r b i d e si nh s sa s c a s ts t r i pa n di m p r o v et h ed i s t r i b u t i o no ft h ee u t e c f i c c a r b i d e sv a r i o u sd e g r e e s ，a n de l i m i n a t et h ee n t e c t i cc a r b i d e sn e t si nh s s a tl a s tt h e c o n c l u s i o nt h a tt h er a t i o n a lh e a t t r e a t m e n to fh s sa s c a s ts t r i pi nl a bw a sa t1 2 0 0 c ， h e l dt i m el h ，w a so b t a i n e d t os p e e du pt h ec o u r s eo f i n d u s t r i a l i z a t i o no f h s si nt w i n - r o uc a s ts t r i pt e c h n o l o g y , t h eh e a t - t r e a t m e n ta n dh e a t - d e f o r m a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ea d o p t e db a s e do nt h ef o r m e r w o r k t h ee r i e c t so fh e a t - t r e a t m e n ta n dh e a t d e f o r m a t i o no nt h ee u t e c t i cc a r b i d e si n h s sa s c a s ts t r i pi ni n d u s t r i a l i z a t i o nw e r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n t so fq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sa n dt e ms h o w e dt h a tt h ef a s t e rc o o l i n gr a t ew a s ，t h ef i n e rt h ec a r b i d e sg r a i n a n ds p a c eb e t w e e nt w oc a r b i d e sw e r e t h ef i n e rc a r b i d e sd e c o m p o s e dm o r ee a s i l y c o m p a r i n gt h ee f f e c t so ft h ed i f f e r e n th e a t t r e a t m e n ta n dh e a t - d e f o r m a t i o no nt h e c a r b i d e ss h o w e dt h er a t i o n a lt r e a t m e n to fh s sa s c a s ts t r i pi ni n d u s t r i a l i z a t i o nw a sa t 1 2 0 0 c ，h e l dt i m e4 0 r a i nb e f o r ec a r r y i n ga m o t l r af o r5 0 r e d u c t i o nh e a t - d e f o r m a t i o n i tc o u l dm a k et h ec a r b i d e sd e c o m p o s e dg r e a t l yi nh e a t t r e a t m e n tm a dr e a l i z et h e c a r b i d e sd e c o m p o s e df l l r t l a e ri nh e m - d e f o r m a t i o n , g e tt h eb e s tm i e r o s t r u c t u r ei na s - c a s t s t r i p a tl a s tt h ee f f e c t so ft h et r e a t m e n to nt h ec a r b i d e si nt w od i f f e r e n ts t a g e sa n d s t u d i e dt h ef o r m i n go f m e t a s t a b l ec a r b i d e si nr a p i ds o l i d i f i c a t i o na n di t sd e c o m p o s i n gi f l h e a t - t r e a t m e n tw e r ec o m b i n e d t h em e a s u r e st o p r e v e n tt h e n e wc a r b i d e sf r o m i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b n o r m a l l yg r o w i n gu pa n ds p h e r o i d i z i n gw e r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：t w i n - r o l ls t r i pc a s t ，r a p i ds o l i d i f i c a t i o n ，h i 曲s p e e ds t e e l ，c a r b i d e s ， h e a t t r e a t m e n t , m e t a s t a b l ep h a s e i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 双辊薄带连铸技术的发展史及研究现状 双辊薄带连铸技术作为钢铁生产跨世纪的重大前沿技术之一，能直接从钢液 中浇铸成5 m m 以下的金属薄带。资料介绍 1 4 】该技术的特点是：( 1 ) 可以省去投资 巨大的开坯、热轧等工序，直接从钢液获得冷轧带坯，具有工艺流程短、投资少、 节约能源、生产成本低、保护环境等优点：( 2 ) 具有快速凝固的特点，可以改善 铸带的组织，如晶粒细化、合金元素固溶度增大、抑制偏析和第二相的析出等；( 3 ) 可以制各具有高附加值且用传统工艺难以成型的特殊钢，如耐热钢、不锈钢、电 工钢及高速钢等。这种带钢连铸技术的想法始于1 4 0 多年前，即1 8 5 6 年由英国的 贝塞麦( b e s s m e r ) 提出。从那时以来为了达到这个目的，在世界范围内进行了各 种各样的实验研究，然而没有取得成功。其主要技术障碍是注入钢水时的液面控 制和冷却铸辊的转动控制以及两铸辊之间的间隙控制等【引。 2 0 世纪8 0 年代，随着计算机和自动化水平的提高，世界上4 0 多个研究机构 和钢铁企业掀起了一个研究带钢连铸的新高潮，经过3 0 多年的研究开发，在带钢 连铸技术方面取得了突破性的进展。从事这一技术研究开发的有日本、美国、德 国、意大利、法国、英国、韩国、中国等国，共研制了4 0 多台不同类型的连铸机 进行实验研究和半工业性规模生产实验。 在国外，新日铁和三菱重工合作进行带钢连铸的研究和试验始于8 0 年代中期， 1 9 8 9 年1 1 月在试验机上连续浇铸1 0 t 不锈钢获得了成功，带厚1 6 5 5 m m ，带宽 8 0 0 m m 。1 9 9 6 年新日铁在光厂建了世界上第一台用于商业性生产的带钢连铸机， 设备由三菱重工制造，1 9 9 7 年底投产，生产的是3 0 4 奥氏体不锈钢，带厚2 5 r n m ， 带宽7 6 0 1 3 3 0 m m ，铸速2 0 7 5 m m i n ，钢水包容量6 0t 【61 1 。该铸机使用的两 个水冷浇铸辊的直径为1 2 0 0 m m 。生产时，自动控制系统包括自动开浇、钢水波面 控制、辊缝预压力控制、水口浸入深度控制等。浇铸带钢的厚度和结晶均匀，已 用于生产冷轧带钢并制成厨房用具。 澳大利亚b h p 公司的带钢连铸项目定名为m 工程，研究工作始于1 9 8 9 年， 其主要研究的是碳钢的直接连铸。1 9 9 7 年1 2 月，建在肯布拉港钢厂的带钢连铸机 开始半工业性生产，用含碳量为o 0 6 的钢水成功地浇铸出了1 2 4 m m 的带钢， 经过4 机架冷轧机轧制成为0 4 2 m m 厚的薄带钢。b h p 的带钢连铸机是由日本石 川岛播磨重工株式会社制造的，这台带钢连铸机的主要资料如下：铸辊直径 5 0 0 m m ，熔池深度17 5 m m ，带宽1 3 4 5 r m n ( 将来可达到1 9 6 0 m m ) ，带厚1 5 2 5 m m ， 最高铸速6 0 m r a i n 【7 】o 重庆大学硕士学位论文1 绪论 欧洲早在8 0 年代就开始带钢直接浇铸的研究和试验，其中德国蒂森钢公司和 法国于齐诺尔公司合作的m y o s o t i s2 1 2 程始于1 9 8 9 年1 0 月，双方在于齐诺尔的伊 斯贝格厂的带钢连铸试验机上进行了大量的研究和试验。经过几年的努力，解决 了许多工艺问题，如钢水导引、铸辊结构、侧封等问题。这台铸机使用特殊的浸 入式水口，将钢水平稳地分配到铸辊之间；而浇铸液面上方有惰性气体形成的保 护气氛；两个水冷铜质铸辊的辊径为1 5 0 0 r a m ，辊身长8 6 5 m m ；铸辊使用液压压 下，辊缝自动控制弘 。1 9 9 3 年，用连铸带钢生产出了第一根冷轧带钢，其表面和 内在质量、几何形状及边缘状况等基本符合加工的要求。1 9 9 5 年，已能连续浇铸 整包3 0 4 不锈钢水9 2 t ，带钢厚度2 7 r n m ，而从1 9 9 8 年初开始，则从事整包钢水 4 m m 以上厚度的带钢连铸。除不锈钢外，这台连铸机还成功进行了电工钢和低碳 钢的浇铸试验。至今，该连铸机一共浇铸了2 万多吨钢水，其中8 5 为3 0 4 不锈 钢，其余为碳素钢、电工钢和镍基合金等【9 j 。 而同一时期，意大利的a s t 公司与c s m 材料研究所在特尔尼厂依据双辊原 理也在进行带钢直接浇铸的试验，1 9 9 5 年，奥钢联设备制造公司以设备制造厂的 身份参与了这一试验工作。试验获得不断进步，从浇铸一炉钢水发展到可以浇铸 几炉钢水。而蒂森克虏伯钢公司，决定在克雷费尔德厂用连铸方法生产不锈钢 带钢，奥钢联设备制造公司接到该项目的合同，为该厂设计和制造一套真正用于 商业性生产的带钢连铸设备。 最近几年来，随着全球化战略的推行，欧洲工业界不断发生企业兼并和资产 重组。蒂森和克虏伯全盘联合成蒂森克虏伯公司，意大利a s t 成了德国克虏伯带 森不锈钢公司的子公司，而制造了m y o s o t i s 带钢连铸机的法国克莱西姆( c l e e i m ) 公司被奥钢联设备制造公司所兼并。面对新的形势，蒂森克虏伯钢公司，法国 于齐诺尔公司和奥钢联工业设备制造公司于1 9 9 9 年9 月1 7 日签署了一项协议， 决定把至今为止在不锈钢直接浇铸方面所作的工作和获得的经验汇集在一起，把 m y o s o t i s 、特尔尼和克雷费尔德的3 个带钢连铸工作组联合成个研究开发组，进 行带钢连铸的继续开发和优化工作，合作的项目定名为e u r o s t r i p ，目的是要让带 钢连铸早日付诸实践，让这一工艺走向商业化。在e u r o s t r i p 工作组的努力和支持 下，克虏伯蒂森不锈钢公司克雷费尔德厂的带钢连铸机于1 9 9 9 年1 2 月1 0 日投 产，浇铸了3 6 吨3 0 4 不锈钢带钢厚度3 m m ，带宽11 0 0 m m ，这第一个带卷的表 面质量均匀，而且达到了冷轧再加工的要求。克雷费尔德厂的带钢连铸机是欧洲 第一台能进行工业性生产的双辊立式带钢连铸机。按设计，一次连续浇铸钢水9 0 t ， 带钢厚度1 5 4 5 m m ，带钢最大宽度1 4 5 0 m m 。这一设备的投产是e u r o s t r i p 工程 各方知识汇总、经验交流和通力合作的成果。该连铸机的设计产量是1 0 万妇，二 期目标是4 0 万t a 。设计和制造时，以特尔尼厂带钢连铸机上所取得的经验为基础， 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 并融入了伊斯贝格厂m y o s o t i s 工程的诀窍。在制造过程中，特尔尼厂的试验并没 有停止，确保克雷费尔德的连铸机麓尽量使用最新的科研成果口o j 。这套设备的总 长度不超过7 5 m ，钢水在辊缝间往下运动，贴近辊子的地方钢水冷凝，并最终合并成 带钢，钢水侧封使用的是陶瓷材料。浇铸出的带钢通过导向装置和辊道及导板台而 到达卷取机。以后还要在铸机和卷取机之间设置保温罩和加热装置以及热变形单 元，最高铸速将达到1 0 0 r n m i n 。 浦项公司与英国戴维公司1 9 8 9 年7 月合作进行薄带连铸技术的研究，在浦项 厂内，建造了1 号双辊铸轧试验机，于1 9 9 1 年1 2 月投入了使用。该机的主要参 数：辊径1 7 5 0 r n m ，带宽3 5 0 m m ，带厚2 r t l m 6 m m ，铸速3 0 m m i n 5 0 m m i n 。 通过对该铸机生产的铸态带坯及其冷轧带钢进行了大量金相、力学性能测试以及 表面质量分析之后，证实其浇注的带坯与传统工艺生产的带钢相比较，焊接性能 和深冲性能并不比后者差。有了第一台试验连铸机的经验，浦项与戴维两家公司 合作于1 9 9 4 年建造了台接近工业规模的2 号带钢连铸机，可生产( 2 6 ) 1 3 0 0 m m 的不锈钢及碳素钢薄带。目前正致力于将带钢浇注与在线轧制相结合，生 产出更薄规格韵带钢，并能改善带钢质量，以代替冷轧产品i i “。 在国内，1 9 5 8 年东北大学首次在自制的实验铸轧机上铸轧出了球墨铸铁和变 压器硅钢带。1 9 8 3 年建成了i 号异径双辊式铸轧机，1 9 9 0 年3 月又建成了2 号异径 双辊式薄带铸轧机。该轧机的技术参数如下：辊径：5 0 0 m m 2 5 0 m m ，辊身长： 2 1 0 m m ，采用直流电机驱动，速度可调，配有磨辊装置，等离子切割机和小型热 轧机等。利用2 号铸轧机已成功地铸轧出2 x 2 0 7 m m 的高速钢薄带，1 5 2 0 7 m m 的不锈钢带卷。“八五”期阀，东北大学轧制技术及自动化重点实验室建立了近 终形铸轧实验室并建成了薄带钢铸轧试验线，完善了熔炼和测试手段，铸轧的高 速钢薄带表面质量和边部质量已经超过国於大学同类铸轧机所铸轧出的带钢的实 物水平。 上海钢铁研究所承担国家“七五”、“八五”攻关项目。机型为双辊式。现 己建成一台1 2 0 0 m m 6 0 0 m m 中试规模的试验铸机，带厚2 m m 6 m m ，产品以3 0 4 不锈钢为主。带坯经冷轧后的带钢其性能达到了相当于传统工艺生产的水平，该连 铸机于1 9 9 6 年2 月通过了技术鉴定。 重庆大学于1 9 9 0 年研发了辊径为2 5 0 m r a 的双辊薄带连铸机，依托其雄厚的高 速钢基础性研究工作，在高速钢薄带铸轧工艺、显微组织和铸带后续处理工艺等 方面做了大量的工作，同时也对不锈钢、碳钢以及硅钢进行了铸轧工艺研究 1 2 1 ”。 并开发出了相应的数学模型。目前正在进行双辊薄带连铸熔池液面波动物理模拟 研究和过程参数自动检测与控制的研究。 除了上述科研院所外，宝钢等国内多家钢铁公司也积极致力于双辊薄带连铸技 3 重庆大学硕士学位论文l 绪论 术的研究与开发，有些已达到了半工业化生产的水平，目前正积极努力争取早日 实现该项技术的产业化。 1 2 双辊薄带连铸高速钢组织优势及不足 目前，据资料 1 9 2 2 1 介绍，双辊薄带连铸技术实验大多集中于不锈钢和硅钢， 高速钢研究的比较少。用双辊薄带连铸技术生产高速钢薄带材时，不仅能够简化 生产工序、节约自源，而且有其组织结构上的优势：由于其冷速可达到1 0 2 1 0 4 s ，带钢在凝固过程中形核率会增加、铸带组织也会细化；凝固过程中，凝固组织 固溶体中碳含量处于一种过饱和状态，析出的共晶碳化物的数量会相应减少，生 成的共晶碳化物也来不及长大：同时，由于冷速快，抑制了凝固过程中碳元素及 合金元素的偏析碳化物分布均匀。但是，研究表明，用双辊薄带连铸生产的高速 钢铸带的原始组织内还存在少量几乎完整的碳化物细网。要提高高速钢带材的使 用性能，必须消除带钢内的网状碳化物，改善碳化物的粒度和分布，这也决定着 双辊薄带连铸技术能否应用于高速钢带材。然而，双辊连铸高速钢簿带的加工变 形量有限，不能通过大的加工变形量来破坏共晶碳化物网。 1 3 高速钢凝固组织中的碳化物 碳化物是影响高速钢性能的最重要因素之 2 ”。碳化物相是高速钢的基本的 相组成之一，一般分为一次碳化物和二次碳化物两大类。 一次碳化扬是指直接从液相中析出的碳化物，它的尺寸一般在几个微米的数 量级。一次碳化物的形态主要有三种：鱼骨状的m 6 c 碳化物、羽毛状的m 2 c 碳化 物、块状的m c 碳化物。 m 6 c 碳化物是高速钢中的主要碳化物之一。m 5 c 磺化物的立方结构决定了碳 化物的生长方式以树枝状方式进行 2 6 。这种三维的骨架结构，内外联系紧密，在 外力作用下它不易弯曲和拉伸，锻造时不易破碎，易于造成热加工后碳化物分布 的不利状态。 层片状的m 2 c 碳化物的片与片之问连系较弱，这使它在塑性变形时易于破碎。 另外，m 2 c 碳化物是一种亚稳相。高温时会发生分解，从而细化碳化物。根据资 料 捌，m 2 c 在高温下的分解可用m 2 c + f e ( v ) 一m c + m 6 c 反应式来表示。 高速钢中的m c 碳化物硬度很高。它的存在有效的增加了钢的耐磨性。但铸 态组织中的初生m c 碳化物粒度较大。经锻、轧以后，在一定程度上虽然会被击 碎，但它毕竟是高速钢材中大块碳化物的来源之一。大块碳化物是使高速钢韧性 降低、磨削性能下降的重要原因。 这些碳化物的类型主要取决于钢的成分，当v 、t i 、n b 的含量足够高时会形 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 成m c 碳化物，m 6 c 碳化物在一些合金元素如w 、s i 、n 处容易形成，而且比较 稳定。c 、m o 、v 、c o 促使m 2 c 碳化物的形成。其中高c 有利于m c 和m 2 c 碳 化物的形成。w 主要导致m 6 c 碳化物的形成，m o 使m 2 c 碳化物的稳定性增加。 v 具有明显的m c 和m z c 碳化物增加的数量，降低v a c 碳化物数量的特性。故v 通过影响m 6 c 和m c 之间的平衡从而促使或抑制m 2 c 碳化物的形成。另外，s i 促使高碳的钼系和钨钼系高速钢中m 2 c 型棒状碳化物的转化，硅明显促使m 6 c 碳 化物的形成，降低m , c 碳化物的稳定性，促使m 2 c 碳化物的分解。再者从钨系、 钨钼系及钼系高速钢的铸态组织来看，钨系高速钢共晶碳化物以骨骼状的m 。c 碳 化物为主，钼系高速钢中大块的m c 碳化物数量很多，钨钼系高速钢共晶碳化物 主要为片层状的m 2 c 碳化物和少量细小的m c 碳化物，故易于获得对钨钼系高速 钢性能有利的铸态组织【2 3 。 高速钢的初生碳化物分为两种类型：一类是先于共晶反应直接从液体中析出 的碳化物；第二类是共晶反应时与奥氏体同时析出的共晶碳化物。据资料 2 3 3 的研 究，为获得细粒的m c 碳化物应尽可能使t 的数值达到最小，控制m c 碳化物以 共晶形态析出，而避免了初生的次m c 碳化物的出现，最大限度的铸态组织中 获得m 2 c 共晶碳化物：另外，加快冷却速度一方面可以缩短m c 碳化物长大的时 间，有利于m c 碳化物的细化，另一方面也可促使m 2 c 碳化物的形成。因为m 2 c 碳化物分解时析出的m c 碳化物是细小的，所以获得m 2 c 碳化物也有利于细化 m c 碳化物。 曾有资料【2 5 以m 2 高速钢为例进行了研究，认为在低冷速及低含碳量时，首 先形成的碳化物是m 6 c ，在低冷速及高含碳量时，首先形成的碳化物是m 2 c ，在 较高的冷却速度下，首先形成的是m c 。在淬火状态下，一般高速钢中只有m 6 c 和m 2 c 两种碳化物【2 4 1 。 高速钢中的二次碳化物通常是指从过冷的奥氏体或铁素体中析出的碳化物， 也包括高温6 铁素体( 铸态) 和奥氏体共析产物中的碳化物，退火态、淬火态及 回火态的碳化物均属于二次碳化物的范畴。6 共析体在钨系高速钢中很发达，在钨 钼系及钼系高速钢中很少；共析碳化物( m 6 c ) 横截面为方形的棒条状。钨钼系及 钼系高速钢包晶奥氏体冷却过程中先析出m 6 c 和m 2 c 碳化物随后转变为马氏体。 铸态高速钢深腐蚀试样及电解萃取粉末试样的电镜观察表明：随着高速钢成 分的改变共晶碳化物的形态还有许多种，除典型的骨骼状和羽毛状外。还有蜂窝 状、棒状和谷穗状等；骨骼状共晶周围有一层碳化物的“墙”，它与树枝状碳化物 一起构成牢固的难于破碎的三维空间骨架，在羽毛状共晶碳化物的片状上有明显 的生长台阶；钨系高速钢的6 共析体中的碳化物呈丝柬状，光镜下共析体周围的 光圈，其空间形貌为包围共析体的椭球形碳化物壳 2 8 】。 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 高速钢凝固组织研究表明：高速钢的成分偏析很轻，c 、v 从外向内从上到下 略减少，w 由于比重偏析的影响自下而上减少；m c 相和m 2 3 c 6 相的变化趋势与 成分偏析的规律相吻合；高速钢的柱状晶带不发达，且柱状晶并非垂直模壁生长， 这些与高速钢固相线很宽有关，在几毫米的激冷带内铸态晶粒很细，到中心带以 后晶粒变化不大【z 。 运用t e m 和s e m 技术研究f e 一1 3 m o - - 0 8 c 合金铸态组织的形态及结构， 结果表明：f e m o c 合金中共晶碳化物为骨骼状的m 6 c ；枝晶芯部6 铁素体分 解产物6 共析组织很少，共析周围有一明显的碳化物壳层，共析碳化物为棒条状 的m s c 碳化物；包晶奥氏体在冷却过程中先析出的m 6 c 和m z c 碳化物，随后发 生分解，再转变为马氏体p 。 高速钢凝固组织中的m c 初生碳化物粒度较大，是钢材中大块碳化物的主要 来源之一。它严重地影响着高速钢材的性能。初生m c 包括一次碳化物和共晶碳 化物两种类型，这两种类型的m c 碳化物在成分、形态、分布等方面都有差别。 总的来讲，初生的m c 与m 2 c 和m 6 c 相比它是高v 少铁相；而在初生的m c 中 一次碳化物又比共晶碳化物具有更高的v 含量。 一次碳化物析出反应与共晶反应的温度间隔a t 值，它对m c 碳化物粒度有很 大影响。在一定速度下，t 值越大则m c 的颗粒也将越大；若t 值为零则m c 碳化物以共晶的形态析出，这时的m c 较一次m c 碳化物为小。变化高速钢中c 、 w 、m o 、v 等或添加某些元素，都会从不同的角度影响到t 值的大小，从而影响 m c 的粒度。一般来说，高速钢中增加w 使t 值明显减小，有利于m c 的细化； c 的增加，t 值有所增加。m c 的粗化不明显；而m o 的变化对此则基本无影响： 但v 的增加却使a t 值明显增加，m c 碳化物也明显粗化。向高速钢中添加n 、n b 、 t i 、z r 、s i 时均会使t 值变大而不利于m c 的细化因此出现大块的m c 碳化物。 高v 高速钢必然出现大块m c ：低合金高速钢由于w 、m o 用量的减少也面临 着少量大颗粒m c 的问题。合理的合金设计，可以避免大颗粒的一次碳化物。 为获得细粒的m c 应尽可能使a t 的数量达到最小，控制m c 以共晶形态析出， 而避免了初生的一次m c 的出现，最大限度地在铸态组织中获得m z c 共晶；另外 加快冷却速度它一方面可以缩短m c 长大时间，有利于m c 的细化，另一方面也 可以促使m z c 的形成。因为m 2 c 分解时析出的m c 是细小的，所以获得m 2 c 也 有利于细化m c f “j 。 1 4 亚稳相m 2 c 的分解 高速钢在凝固过程中形成各种碳化物。其中m 2 c 碳化物是亚稳豹，具有商温 分解的特性，在凝固以后的加热时通常会分解成m c 和m 6 c 碳化物。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 用定向凝固试样在9 0 0 。c 和1 2 0 0 。c 之间的温度下热处理以研究这一分解过程。 热处理实验结果表明：m 2 c 碳化物是亚稳性的，它可分解为m 6 c 和m c 。对m c 质点的形状进行s t e m 观察还表明，m 6 c 和m c 像共析体一样共同长大。另一方 面，显微组织观测有力地表明，分解产物比原始m 2 c 占有较大的体积。由此可看 出，奥氏体基体也参加了反应，这也许可类属一种准包析反应。 m 2 c + f y ) - m c + m 6 c s t e m 观察表明，m 6 c 和m c 彼此紧密相连地长大，因此分解过程的速度可 能与m 2 c 和奥氏体这两种反应物之间合金元素扩散有关。大概是m 6 c 从奥氏体获 得所需的f e ，从m 2 c 获得m o 和w 【2 6 1 。 有资料介绍1 36 】，由于万铁素体的包晶分解，m 2 高速钢的凝固过程导致了枝状 晶中心粗大m ：c 颗粒的形成。随后，正在长大的奥氏体枝状晶周围的固溶原子的 富集引起了m c ，m 2 c 和m 6 c 粗大的枝晶间共晶碳化物的形成。固相线以下的进 一步冷却导致了m 2 c 和m c 中小的碳化物的普遍析出。共晶碳化物和细小碳化物 具有不同的形态和化学特性p l ”】。另外，发现了一些极其微小的碳化物。 固溶处理引起了那些极其微小的碳化物的快速分解。m 2 c 碳化物在固溶温度 到1 1 5 0 或者1 2 0 0 后的不到1 个小时之内，迅速分解为m 6 c 和m c 碳化物。再 进一步的高温处理则会引起共晶m 6 c 碳化物的球化和m 6 c 与m c 碳化物的普遍长 大。球状渗碳体的百分含量随时间而增大【3 9 。初生奥氏体晶界中的碳化物颗粒将 会先长大，直至和沿着这些晶界方向的碳化物相碰撞。与此同时，大多数细小碳 化物将会溶解，但是个别的m 6 c 颗粒会长大到和那些初生核芯或者共晶碳化物尺 寸相当。这些新生成的碳化物被称为晶内长成碳化物 4 0 。 1 5 本课题研究目的、内容和方法 双辊薄带连铸快速凝固工艺虽可抑制钢中粗大共晶莱氏体的形成，但研究表 明铸带中碳化物仍成网状分布，日本人有一例研究报告，认为要破坏铸坯中仍然 存在的共晶碳化物网必须进行热轧、冷轧 2 4 1 。要破坏共晶碳化物网需要大的加工 变形量，而薄帝的加工量受到限制。因此如何消除铸带坯中的网状碳化物是该技 术能否应用于高速钢的关键。 因此，本课题的学术思路就是利用高速钢中m 2 c 碳化物高温分解的特性【4 ”， 通过选择合适的热处理工艺，控制和利用亚稳相的分解，破碎高速钢铸带中的网 状碳化物并使其细化，达到既可破坏网状碳化物，又可细化碳化物颗粒的目的。 最后即使是小变形量也能获得良好的高速钢薄带组织，使高速钢铸带成为符合要 求的带材，使连铸带材性能稳定可靠地应用于高速钢片状刀具的生产。 本课题研究的主要内容包括： 7 重庆大学硕士学位论文l 绪论 i ) 初步探索不同热处理制度对于重庆大学s b l r 型双辊薄带连铸机浇注实 验所获得的高速钢铸带显微组织的影响研究m 6 c 、m c 和m 2 c 的形核长大及位 相关系，初步确定最佳热处理制度，研究确保m ：c 转变的处理温度、时间的变化 规律以及防止分解形成的碳化物再长大的控制措施。 2 ) 研究比较工业铸带与实验室铸带组织的异同，利用实验室高速钢快速凝固 铸带最佳热处理制度，结合高速钢铸带实际后续加工的要求，探索热处理和热加 工变形工艺对高速钢工业机组铸带组织的影响情况，提出合理的热处理和热加工 变形制度及处理工序。 因此，实验首先于重庆大学s b l i 双辊薄带连铸机迸行了薄带连铸实验，获 得了实验室高速钢快速凝固铸带。并对实验室机组快速凝固铸带进行了热处理实 验，采用了金相实验和透射电镜实验对热处理实验结果进行了分析，初步得出实 验室机组高速钢铸带的最佳热处理制度。 为了推进双辊薄带连铸高速钢的产业化进程，又于南方某厂工业机组双辊薄 带连铸机上进行了工业机组高速钢铸带浇注实验，并结合实验室机组热处理结果 及高速钢铸带后续加工要求，对工业机组铸带进行了热处理和热加工实验，采用 金相实验、扫描电镜实验和透射电镜实验比较分析了热处理与热加工不同工序对 铸带组织的影响情况，为高速钢铸带后续加工处理提供技术支持。 8 重庆大学硕士学位论文2 实验室机组铸带组织研究 2 实验室铸带组织研究 本实验研究了实验室双辊薄带连铸快速凝固条件下，m 2 高速钢、3 0 1 高速钢 和9 3 4 1 高速钢的微观组织。并深入研究了不同冷却速度和不同热处理制度对高速 钢铸带组织中亚稳相的影响情况。采用定量金相法初步确定m 2 高速钢铸带亚稳相 的最佳热处理制度，并采用透射电镜实验对最佳热处理制度进行了验证。 2 1 双辊薄带连铸实验 本实验主要目的在于获得上述三种高速钢( 主要化学成分含量见表2 1 ) 的快 速凝固铸带，为选择双辊薄带连铸快速凝固高速钢钢种及在其高温处理前后的共 晶碳化物的大小、形状及分布和分解情况做实验材料方面的准备。实验是在重庆 大学研制的s b l i 双辊薄带连铸机上进行的，该设备如图2 1 所示。其主要参数 如表2 2 所示。 改双辊铸机工作原理如图2 2 所示。钢液经过中间包均匀地注入在两铸辊之间 与端面侧封板形成的熔池中。两铸辊同向转动，当铸辊在a 点开始与熔池中的钢 液接触时，由于铸辊的冷却作用，与铸辊相接触的钢液在铸辊上慢慢地形成凝壳， 随着铸辊的转动凝壳不断地加厚，当铸辊转动到b 点时，两个铸辊上的凝壳相互 接触，凝固过程结束，完成铸轧过程。 图2 1 双辊薄带连铸机图 f i g 2 1t h et w i n - r o l lc a s t e r 群带 2 上铸机工作原理图 f i g 2 2t h ew o r kp r i n c i p l eo f c a s t e r 为保证高速钢薄带连铸过程的顺利进行，我们结合实验设备、实验材料和经 验参数资料，制定了如下浇注工艺参数( 表2 3 所示) 。 9 重庆大学硕士学位论文 2 实验室机组铸带组织研究 ( a ) 、( b ) s a m p l eo f m 2s t e e l ；( c ) 、( d ) s a m p l eo f 3 0 1s t e e l ；( e ) 、( f ) s a m p l e o f 9 3 4 1s t e e l - 图2 3 高速钢快速凝固铸带组织 f i g 2 3t h em i e r o s t r u e t u r eo f h i g hs p e e ds t e e la s c a s ts t r i p 1 0 重庆大学硕士学位论文2 实验室机组铸带组织研究 表2 1 实验用高速钢主要化学成分 化学组成( a t ) 钢种 wm oc rvs ic m 25 8 5 - 6 1 04 8 0 - 5 2 03 7 5 q 1 5i 8 4 五1 0 o 40 8 0 - 0 9 0 3 0 】2 7 0 0 7 01 7 0 , - - 2 7 03 8 0 - , - 4 ，4 01 ，2 0 - 1 8 00 7 0 - 】，3 00 ，9 0 - 1 0 5 9 3 4 l8 5 0 9 5 02 7 0 3 3 03 8 0 - - 4 ，4 01 3 0 1 7 0 s a m p l ed f r i q d 9 ： 重庆大学硕士学位论文3 工业机组铸带组织研究 由图3 1 0 可以看出，在相同温度条件下的试样，在加工变形量较小、保温时 间较短的情况下碳化物不能够得以充分的破碎和分解，碳化物网断开情况并不明 显( r h 0 1 ) ；在加工变形量较小、保温时间较长的情况下，较小的压下量不足以破 碎共晶碳化物颗粒，碳化物则因保温时间过长导致了长大和团聚( r h 0 3 ) ；在加工 变形量较大、保温时间较短的情况下，试样中依然存在一些未能较好的分解的块 状碳化物，这些块状碳化物将十分有害于高速钥的使用性能( r h 0 7 ) ；只有在加工 变形量较大、保温时间适当的情况下( r h 0 5 ) 试样中的碳化物才既能实现较大程 度的破碎，又能在进一步的高温热处理条件下实现较好的分解。 3 4 5 不同处理工序对铸带组织影响的比较分析 比较图3 9 和图3 1 0 可以看出，即使在相同的热处理制度和加工变形制度条 件下，随着二者的处理工序的不同，所得铸带组织亦有所不同。为此，我们有必 要通过定量的分析比较，获得较为合理的铸带后续处理工艺工序。 为比较科学的分析不同处理工序对铸带组织的影响，将上述实验结果量化， 我们采用了定量金相实验来迸一步测量铸带中碳化物的组织特征参数。测量方法 和计算方法如第二章( 2 6 ，1 ) 所述。定量金相所测得的基本参数如表3 3 所示，将 这些基本参数计算处理( 计算公式同表2 5 ) 后，获得工业机组铸带后续处理后的 碳化物组织的特征参数值，如表3 4 所示。 根据表3 4 中所求得的工业机组m 2 高速钢铸带中碳化物的各组织特征参数的 值，我们可以绘出后续处理制度与各组织特征参数之间的关系图。下面将结合图 表进行讨论后续处理制度对工业机组m 2 高速钢铸带中碳化物的影响情况。 图3 ，1 1 为工业机组m 2 高速钢铸带( c a s t 2 ) 及其经过热处理后的试样( h 0 1 、 h 0 2 和h 0 3 ) 与工业铸锭模拟样( i n g o t ) 和实验室铸带( c a s t l ) 中碳化物体积分 数和直径比较图。由图可以看出由于快速冷却，凝固过程抑制了碳化物的析出， 使得实验室和工业机组铸带中的碳化物体积分数均比工业铸锭模拟样要少些，而 且冷速越快差别越大。工业机组快速凝固铸带经高温热处理后，碳化物的体积分 数变化不大。12 0 0 下，保温4 0 m i n 高温热处理试样中的碳化物体积分数与工业 机组原始铸带数量相当。从高速钢组织中碳化物直径角度来看，快速凝固使得碳 化物的直径变得细小，而且随着冷速的增加，碳化物直径越来越小。工业机组铸 带经高温热处理后碳化物直径呈递减趋势。这主要是因为在高温热处理过程中， 碳化物分解使得直径减小。另外，从图3 1 1 中还可以发现，相同的处理温度下， 保温4 0 r a i n 和保温6 0 m i n 的热处理制度对工业机组铸带组织中碳化物的直径大小 影响并不明显。 3 8 重庆大学硕士学位论文3 工业机组铸带组织研究 表3 3 定量金相基本参数 试样 l m mp r a m 。n m m o1 m mw m m i n g o t 3 7 4 05 3 0 2 6 6 7 0 3 6 0 ，4 c a s h2 8 1 94 8 】2 4 57 0 】6 0 1 c a s t 21 7 5 34 3 42 1 77 0 16 0 3 h 0 l2 0 6 73 9 6 1 9 8 7 0 1 6 0 6 h 0 21 9 2 25 1 62 5 87 0 16 0 ，3 h 0 3 1 3 1 13 6 41 8 2 7 0 1 6 0 1 h r 0 l1 4 0 53 1 21 5 67 0 16 0 3 h r 0 22 0 2 74 0 02 0 07 0 46 0 3 h r 0 3 1 6 7 13 6 8i 8 47 0 。16 0 。3 h r 0 42 3 8 67 4 43 7 27 0 16 0 1 h r 0 5 2 0 7 15 9 6 2 9 87 0 66 0 ，6 h r 0 61 5 3 ，93 5 01 7 57 0 16 0 1 h r 0 7 1 3 2 33 7 0 1 8 57 0 46 0 ，3 h r 0 81 5 0 94 3 02 1 67 0 46 0 3 h r 0 92 0 5 57 2 83 6 47 0 46 0 3 r 0 11 2 1 55 3 02 6 57 0 26 0 3 r 0 2l8 8 33 8