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            硅影響M2高速鋼中碳化物形成和轉變的研究

            時間:2015-04-14 10:57 | 來源:瀚超特殊鋼 | 作者:技術中心 | 點擊:

                 在裝備工業快速發展的今天,高速鋼作為一種重要的工具材料,再次引起世界各國的關注,并作為前沿先進材料之一再次列入我國十二五科技發展規劃中。通常情況下,高速鋼在凝固過程中形成的網狀共晶碳化物必須通過鍛軋變形來破碎。多數情況下,變形需要多道次。而對一些大體積或大規格的產品進行變形是十分困難的,甚至是不可能的。即使對尺寸較小的產品,共晶碳化物的破碎效果有時也不能令人滿意。已有資料表明硅對鑄態組織中碳化物的類型有重要影響,且硅可能促進M2高速鋼中M2C共晶碳化物在高溫熱處理時的分解。但這些研究是非常有限且零散的,所以弄清楚硅對通用型M2高速鋼鑄態組織中的碳化物以及高溫熱處理時M2C共晶碳化物分解過程的影響規律十分必要,從而使在小變形量時大尺寸產品中化合物的細化成為可能。因此,本課題的研究工作不僅具有較高的學術價值,還可以為實際生產中合理熱處理工藝的制定提供理論依據,對于其它鋼或者新鋼種的開發也有一定的借鑒,具有較高的應用價值和重要意義。

                本文通過金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能譜分析儀、X射線衍射分析儀、差熱分析儀和Thermo-Calc軟件計算等手段,系統研究了硅對M2高速鋼鑄態組織、熱處理過程中共晶碳化物的分解及粗化和變形后的組織與性能的影響,結合熱力學和動力學探討了硅對碳化物形成和轉變的影響機理。主要研究結果如下:添加硅會對鑄態M2高速鋼中共晶萊氏體和共析體產生重要影響。常規M2高速鋼鑄態組織中的共晶碳化物為富含鎢和鉬的片層狀M2C。硅含量添加至0.8%時,共晶碳化物的類型和形貌沒有明顯變化。當硅含量為1.6%2.4%時,共晶碳化物轉變為“魚骨”狀M6C,片層狀M2C碳化物完全消失。

                隨著硅含量的增加,鑄態組織中的共析體從無到有,且越來越發達,共析碳化物從片層狀變為呈成簇的絲束狀,外圍有碳化物殼,主要為M6C碳化物。作為一種鐵素體形成元素,硅的添加影響合金元素的分配系數和活度系數,從而更有利于M6C碳化物的形成。硅的添加擴大鐵素體相區,增加了包晶反應后殘余鐵素體的量,從而在隨后冷卻中形成更多的共析體。添加硅促使高速鋼中的M2C共晶碳化物在較低的溫度或以更快的速度分解。在熱處理過程中,片層狀共晶碳化物M2C發生相變分解為細小的MCM6C碳化物。隨著保溫溫度的升高以及保溫時間的延長,碳化物的分解越來越明顯。

                M2高速鋼在1100℃×4h、1150℃×2h1200℃×30min的熱處理中M2C碳化物完全分解,M2-0.8Si高速鋼中的M2C碳化物分解完成的幾種熱處理工藝是1100℃×2h、1150℃×1h1200℃×15min。硅的添加促進了相同熱處理條件下鋼中共晶碳化物M2C的分解,主要原因是增加分解產物的形核率。所述熱處理條件下,硅的添加更利于碳化物的細化,M2-0.8Si鋼中分解形成的顆粒狀和條/“花生”狀碳化物均比M2鋼中的碳化物尺寸小。在1200℃以上的高溫熱處理過程中,共晶碳化物發生分解后形成的細小碳化物會發生聚集粗化,硅對高溫處理過程中碳化物的粗化沒有發現抑制作用。在1225℃保溫15min時,M2M2-0.8Si高速鋼中的共晶碳化物分解,產物的尺寸分別約為0.63μm0.65μm,比1200℃保溫15min的碳化物顆粒大,和1200℃保溫1h的相近。當保溫時間超過30min,分解后的碳化物明顯粗化,出現塊狀或角狀碳化物,尺寸超過2μm。在1250℃的保溫過程中,碳化物的粗化也很明顯,成為塊狀或角狀碳化物,尺寸可達7μm及以上,并出現一些由于局部重熔而形成新的MC共晶碳化物。

                總體而言,在1225℃以下進行熱處理時,含硅高速鋼中的分解產物尺寸并不比M2高速鋼中分解產物的尺寸大。合適的分解溫度應低于或等于1200℃。經鍛造破碎后,M2-0.8Si高速鋼鍛坯中的碳化物比M2高速鋼中的碳化物更加細小均勻,而M2-1.6SiM2-2.4Si高速鋼鍛坯中由于“魚骨”狀共晶碳化物的破碎不完全仍有“魚骨”狀碳化物存在。M2-0.8Si高速鋼鍛前1165℃加熱保溫2.5h的鍛坯獲得較好的綜合性能,其硬度為66.7HRC,抗彎強度達到3250MPa。經軋制后棒材中碳化物進一步破碎,但在硅含量為1.6%2.4%的高速鋼棒材中仍存在一些塊狀的碳化物,對性能不利。M2-0.8Si高速鋼鍛前1165℃加熱保溫2.5h經軋制的棒材的力學性能優于其它實驗條件下的棒材,其獲得較高綜合性能的最佳熱處理條件為:1180℃淬火540℃回火,其抗彎強度可達4183MPa,硬度為65.5HRC。片層狀M2C碳化物的“相變細化”使得高速鋼在鍛造及軋制加工后棒材中的碳化物顆粒尺寸較小,而沒發生相變的“魚骨”狀碳化物僅發生“機械碎化”,在后續加工中由于破碎不完全仍可能保留下來而對性能不利?赏ㄟ^添加適量硅促進“相變細化”的程度,加之“機械碎化”來改善高速鋼變形加工后產品中碳化物的分布和尺寸的減小。因此可實現對于變形量較小的大尺寸產品化合物的細化,降低生產加工成本,具有重要的應用價值。

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