1 引言

自1898年原始鎢高速鋼問世以來，為了滿足機(jī)械制造業(yè)不斷發(fā)展的需要，人們陸續(xù)開發(fā)出了不同類型及牌號(hào)的各種高速鋼，目前全世界高速鋼年產(chǎn)量已達(dá)30多萬(wàn)噸。高速鋼按用途可分為低碳高速鋼、通用高速鋼、高碳高速鋼、超硬高速鋼四大類。

在新型高速鋼種的研制與開發(fā)中，焦點(diǎn)問題是解決高速鋼的硬度(包括高溫硬度)與其脆性之間的矛盾。與普通鋼材一樣，高速鋼的硬度也取決于含碳量，不同的是高速鋼中還需要加入Cr、W、Mo、V等合金元素。硬度的提高和加入合金元素均使高速鋼的脆性增大。因此，人們努力的主要目標(biāo)之一就是在提高高速鋼硬度的同時(shí)設(shè)法降低其脆性。

目前，W-Mo系M2通用高速鋼的應(yīng)用最為廣泛，除了成本因素外，主要原因是M2高速鋼的韌性優(yōu)于W高速鋼。以M2為基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)展了一系列高速鋼種，包括60-6-5-4-1低碳高速鋼、CM2高碳高速鋼、M2Al超硬高速鋼等。雖然該系列高速鋼已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，但仍存在許多不足之處。如60-6-5-4-1滲碳后的滲層組織不夠理想；M2的韌性有待進(jìn)一步提高；CM2的硬度雖有提高，但強(qiáng)韌性明顯下降；M2Al熱處理時(shí)易脫碳及出現(xiàn)混晶，且脆性偏高。為克服上述高速鋼的缺陷，作者與哈爾濱鑫鐵冶金工業(yè)有限公司、石家莊河北科技股份有限公司合作研制開發(fā)了M2Si系列高速鋼。

Si是一種比Co便宜得多的廉價(jià)元素，已在結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、H系列冷作模具鋼、基體鋼、低合金高速鋼中得到了廣泛應(yīng)用。Si在高合金高速鋼中雖然也有應(yīng)用，但只是作為輔助元素而非主要合金元素。含Si鋼超飽和滲碳時(shí)可在滲層形成細(xì)小且分布均勻的碳化物，據(jù)此我們開發(fā)了性能優(yōu)于60-6-5-4-1的M2Si-1低碳高速鋼(即少無(wú)萊氏體高速鋼)。

Si能促使W-Mo及Mo高速鋼凝固時(shí)形成的對(duì)性能有害的M2C在再次加熱時(shí)分解為M6C及MC，從而可消除柱狀M2C，使碳化物細(xì)化，韌性提高。這一點(diǎn)對(duì)高碳M2特別重要，因?yàn)樘岣進(jìn)2的含碳量將使M2C含量增多。此外，Si還能細(xì)化回火時(shí)析出的二次碳化物，使回火硬度提高。德國(guó)學(xué)者采用“降W、增Cr、提Si”的方法研制了可取代M2的5-5-5-2-Si高速鋼。據(jù)此我們開發(fā)了性能優(yōu)于M2的M2Si-2通用高速鋼和性能優(yōu)于CM2的M2Si-3高碳高速鋼。

Si能細(xì)化奧氏體晶粒，提高600℃紅硬性及低溫淬火硬度，添加1%Si即可替代添加2%Co。在此基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了性能優(yōu)于M2A1的M2Si-4超硬高速鋼。

需要指出，Si還可以改善高速鋼的切削性能和磨削性能。

2 M2Si系列高速鋼

M2Si系列高速鋼的熱處理工藝及主要用途列于表1。

表1 M2Si系列高速鋼熱處理工藝及主要用途

類型鋼號(hào)熱處理工藝熱處理后硬度(HRC)主要用途低碳型M2Si-1Q+T60±1冷作模具C+Q+T表層67±1，芯部60±1刀具通用型M2Si-2Q+T65±1刀具C+Q+T表層67±1，芯部65±1刀具高碳型M2Si-3Q+T66±1刀具超硬型M2Si-4Q+T67±1刀具注：Q———淬火，T———回火，C———超飽和滲碳#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

M2Si-1高速鋼已有專文介紹。下面重點(diǎn)介紹M2Si-2、M2Si-3和M2Si-4高速鋼。

2.1 M2Si-2和M2Si-3高速鋼

1) 鑄態(tài)及鍛坯組織

M2Si-2、M2Si-3兩種高速鋼均用500kg中頻爐煉成，先鑄成電極棒，再經(jīng)電渣重熔成Ø120電渣錠。由于Ø120電渣錠冷速快，再加上Si的作用，因此在M2Si-2鑄錠組織中無(wú)共晶碳化物生成；因M2Si-3含碳量高，故在鑄錠組織中有共晶碳化物生成，但奧氏體晶粒很小(邊緣為5級(jí)，中心為3級(jí))，共晶碳化物也很細(xì)。Ø120電渣錠用750kg空氣錘鍛成40×40方坯，其碳化物偏析情況列于表2。

表2 M2Si-2、M2Si-3、M2、W9的碳化物不均勻級(jí)別比較

鋼號(hào)電渣錠尺寸(mm)鋼坯尺寸(mm)碳化物不均勻級(jí)別M2Si-2Ø12040×401M2Si-3Ø12040×402M2Ø12040×403W9Ø12040×403

由表2可見，M2Si-3高碳高速鋼的碳化物不均勻級(jí)別低于M2和W9通用高速鋼。

2) 熱處理組織與性能

將40×40鋼坯熱軋成Ø120圓棒及Ø8盤元，再將Ø8盤元冷拔成各種規(guī)格的鋼絲。測(cè)定M2Si-3、W9及M2Al退火鋼坯的脫碳層，結(jié)果列于表3。

表3 M2Si-3、W9、M2Al脫碳層厚度及退火硬度比較

鋼號(hào)鋼坯直徑或邊長(zhǎng)
(mm)脫碳層厚度
(mm)退火硬度
(HB)M2Si-3350.40256W9400.49239M2Al450.50248

由表3可見，M2Si-3的脫碳較M2Al及W9輕，退火硬度與M2Al相近。

3) 淬回火后組織與性能

將Ø20圓棒加工成Ø18×8試樣，在鹽浴中加熱至不同溫度淬火。加熱時(shí)間按t=KV/F計(jì)算，K取60s/mm。淬火后在不同溫度回火，測(cè)定回火后硬度，并觀察淬火組織。表4為M2Si-2、M2Si-3淬回火后的硬度、奧氏體晶粒度及最大碳化物尺寸。

表4 M2Si-2、M2Si-3淬回火后硬度、奧氏體晶粒度及最大碳化物尺寸

鋼號(hào)淬火
溫度
(℃)三次回火后硬度(HRC)奧氏
體晶
粒度最大碳
化物尺寸
(µm)未
回火200℃
回火400℃
回火500℃
回火520℃
回火540℃
回火560℃
回火580℃
回火M2Si-2120065.764.663.964.064.664.964.763.511.5<3#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#122065.564.864.164.464.465.165.063.911<3124064.964.063.664.565.365.465.264.510<3126064.663.563.264.565.365.665.564.39<3 M2Si-3120066.264.865.166.666.767.066.364.212<4122066.064.664.866.866.967.266.465.011.5<4124065.764.364.567.067.267.566.765.610.5<3126065.364.264.366.967.167.466.966.010<3

由表4可見，M2Si-2及M2Si-3均宜采用1240℃淬火，550℃回火。M2Si-2淬回火后的硬度高于M2，M2Si-3淬回火后的硬度則高于CM2。

4) 抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性與紅硬性

測(cè)定M2Si-2、M2Si-3、M2和M35的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性及紅硬性，所得結(jié)果列于表5(其中帶*號(hào)數(shù)據(jù)取自有關(guān)文獻(xiàn))。

表5 抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性及紅硬性比較

鋼號(hào)淬回火后硬度
(HRC)s_bb(MPa)a_k(J/cm²)600℃三次回火后硬度(HRC)M2Si-265.248725362.8M2Si-366.546364564.4M265.0331735*61.5*M3567.03623--CM267.0*2800*-64.3*#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

由表2～5可見，由于提高了M2的Si含量，減輕了碳化物偏析，細(xì)化了碳化物，使淬火溫度范圍變寬，淬火奧氏體晶粒變細(xì)，強(qiáng)度升高，脆性下降，從而使M2Si-2的性能全面優(yōu)于M2，M2Si-3的性能全面優(yōu)于CM2。

2.2 M2Si-4高速鋼

研制M2Si-4的目的是開發(fā)一種比M2A1更優(yōu)質(zhì)、更廉價(jià)的超硬高速鋼。M2Si-4用中頻爐煉制，鑄成電極棒，經(jīng)電渣重熔成Ø400及Ø170兩種電渣錠。Ø400錠用快鍛機(jī)開坯，鍛至Ø150后再用精鍛機(jī)鍛成Ø80圓棒，取樣檢查碳化物偏析；Ø170電渣錠用精鍛機(jī)開坯，鍛至80×80，退火后再用750kg錘鍛至40×40，取樣檢查碳化物偏析。另切取一段40×40鋼坯，用250kg小錘鍛成Ø20及13×13棒，加工成試樣作性能試驗(yàn)。M2Si-4的鍛造性能與M2類似。

1) 碳化物偏析

碳化物偏析檢查結(jié)果列于表6(用于對(duì)比的M2Al及M2的部分?jǐn)?shù)據(jù)取自其它文獻(xiàn))。

表6 M2Si-4、M2Al、M2碳化物不均勻度比較

鋼號(hào)規(guī)格(mm)檢查部位不均勻度最大碳化物尺寸(µm)M2Si-4Ø8010mm表層2～36Ø80R/24～512Ø80中心4～512M2Al40×401/4對(duì)角線212M240×401/4對(duì)角線212

由表6可見，Ø80圓棒R/2處的碳化物不均勻度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由于采用精鍛機(jī)鍛造，故表層碳化物不均勻度僅為2～3級(jí)，這對(duì)制造大尺寸刀具十分有利。40×40鋼坯的碳化物不均勻度達(dá)到2級(jí)，十分理想。淬火并高溫回火狀態(tài)下的最大碳化物尺寸與M2相同。

2) 淬回火后硬度、奧氏體晶粒度及最大碳化物尺寸

取Ø20圓棒加工成Ø18×8試樣，在鹽爐中加熱至不同溫度時(shí)淬火，加熱時(shí)間按t=KV/F計(jì)算，K取60s/mm。淬火后在不同溫度回火，觀察淬、回火后的組織結(jié)構(gòu)，并測(cè)定淬回火硬度，結(jié)果列于表7。

表7 M2Si-4淬回火后硬度與組織

淬火溫
度(℃)三次回火后硬度(HRC)奧氏體
晶粒度最大碳化物
尺寸(µm)未回火520℃540℃560℃580℃116066.466.466.567.367.111.510118065.666.267.167.867.21110120065.466.367.568.067.3118122064.665.867.668.167.810.56124064.365.366.668.567.2106#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

觀察金相組織可知，M2Si-4淬火態(tài)的碳化物細(xì)小、均勻，故淬火范圍寬，奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大，無(wú)混晶，在1160℃淬火即可獲得67HRC以上硬度。但應(yīng)注意，表7是對(duì)Ø20圓棒的測(cè)試結(jié)果，對(duì)于大直徑鋼棒，則應(yīng)選用更高的淬火溫度。

3) 抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性及紅硬性

測(cè)定M2Si-4的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性及紅硬性，結(jié)果列于表8、表9，并與其它文獻(xiàn)所載M2A1及M42的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。由表8數(shù)據(jù)可見，M2Si-4的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性均優(yōu)于M2A1及M42。由表9數(shù)據(jù)可見，M2Si-4在600℃時(shí)的紅硬性優(yōu)于M2A1，與M42相當(dāng)，但在更高溫度下，M2Si-4的紅硬性低于M42。

表8 M2Si-4、M2Al、M42的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性比較

鋼號(hào)淬回火工藝硬度(HRC)s_bb(MPa)a_k(J/cm²)M2Si-4Q(1160℃)+T(560℃)67.3416540(1220℃)+T(560℃)68.1372041M2AlQ(1220℃)+T(550℃)68.1385028M42Q(1180℃)+T(540℃)69.0270017
表9 M2Si-4、M2Al、M42的紅硬性比較
鋼號(hào)淬火溫度(℃)回火溫度(℃)600℃三次回火后硬度(HRC)M2Si-4116056064.5118056066.0120056066.2122056066.5124056067.1M2A1122055065.8M42118054066.4

綜合表6～表8數(shù)據(jù)可知，由于Si能細(xì)化碳化物，改善碳化物分布，因此M2Si-4在熱處理時(shí)不會(huì)出現(xiàn)混晶，且各項(xiàng)性能均優(yōu)于M2A1。鋼的性能不僅與鋼料成分有關(guān)，還與生產(chǎn)過程及熱處理工藝有關(guān)。表中所列M2Si-4的性能指標(biāo)是用Ø170電渣錠鍛成Ø20及13×13鋼棒得出的。在實(shí)際應(yīng)用中，碳化物不均勻度較嚴(yán)重的大截面鋼材的性能指標(biāo)將低于表中數(shù)據(jù)。同樣，用于對(duì)比的M2A1、M42的性能指標(biāo)也不一定代表其最佳性能，但表中所列數(shù)據(jù)仍能說明問題。

3 結(jié)論

根據(jù)上述分析可得出以下結(jié)論：

適當(dāng)提高Si含量，可有效改善碳化物的大小及分布，從而使高速鋼性能全面提高。

調(diào)整碳含量可有效控制淬回火硬度。通過調(diào)整碳含量得到的M2Si-2高速鋼的性能優(yōu)于M2高速鋼，M2Si-3高速鋼的性能優(yōu)于CM2高速鋼，M2Si-4高速鋼的性能優(yōu)于M2A1高速鋼。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#