M2Si系列高速钢

HEATS 发表于 2010-9-12 16:59:50

1 引言 自1898年原始钨高速钢问世以来，为了满足机械制造业不断发展的需要，人们陆续开发出了不同类型及牌号的各种高速钢，目前全世界高速钢年产量已达30多万吨。高速钢按用途可分为低碳高速钢、通用高速钢、高碳高速钢、超硬高速钢四大类。 在新型高速钢种的研制与开发中，焦点问题是解决高速钢的硬度(包括高温硬度)与其脆性之间的矛盾。与普通钢材一样，高速钢的硬度也取决于含碳量，不同的是高速钢中还需要加入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钢的脆性增大。因此，人们努力的主要目标之一就是在提高高速钢硬度的同时设法降低其脆性。 目前，W-Mo系M2通用高速钢的应用最为广泛，除了成本因素外，主要原因是M2高速钢的韧性优于W高速钢。以M2为基础已经发展了一系列高速钢种，包括60-6-5-4-1低碳高速钢、CM2高碳高速钢、M2Al超硬高速钢等。虽然该系列高速钢已广泛应用于生产，但仍存在许多不足之处。如60-6-5-4-1渗碳后的渗层组织不够理想；M2的韧性有待进一步提高；CM2的硬度虽有提高，但强韧性明显下降；M2Al热处理时易脱碳及出现混晶，且脆性偏高。为克服上述高速钢的缺陷，作者与哈尔滨鑫铁冶金工业有限公司、石家庄河北科技股份有限公司合作研制开发了M2Si系列高速钢。 Si是一种比Co便宜得多的廉价元素，已在结构钢、弹簧钢、H系列冷作模具钢、基体钢、低合金高速钢中得到了广泛应用。Si在高合金高速钢中虽然也有应用，但只是作为辅助元素而非主要合金元素。含Si钢超饱和渗碳时可在渗层形成细小且分布均匀的碳化物，据此我们开发了性能优于60-6-5-4-1的M2Si-1低碳高速钢(即少无莱氏体高速钢)。 Si能促使W-Mo及Mo高速钢凝固时形成的对性能有害的M2C在再次加热时分解为M6C及MC，从而可消除柱状M2C，使碳化物细化，韧性提高。这一点对高碳M2特别重要，因为提高M2的含碳量将使M2C含量增多。此外，Si还能细化回火时析出的二次碳化物，使回火硬度提高。德国学者采用“降W、增Cr、提Si”的方法研制了可取代M2的5-5-5-2-Si高速钢。据此我们开发了性能优于M2的M2Si-2通用高速钢和性能优于CM2的M2Si-3高碳高速钢。 Si能细化奥氏体晶粒，提高600℃红硬性及低温淬火硬度，添加1%Si即可替代添加2%Co。在此基础上，我们开发了性能优于M2A1的M2Si-4超硬高速钢。 需要指出，Si还可以改善高速钢的切削性能和磨削性能。 2 M2Si系列高速钢 M2Si系列高速钢的热处理工艺及主要用途列于表1。

表1 M2Si系列高速钢热处理工艺及主要用途 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 width="100%" borderColorLight=#000000 border=1>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD>类型</TD>
<TD>钢号</TD>
<TD>热处理工艺</TD>
<TD>热处理后硬度(HRC)</TD>
<TD>主要用途</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD rowSpan=2>低碳型</TD>
<TD rowSpan=2>M2Si-1</TD>
<TD>Q+T</TD>
<TD>60±1</TD>
<TD>冷作模具</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>C+Q+T</TD>
<TD>表层67±1，芯部60±1</TD>
<TD>刀具</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD rowSpan=2>通用型</TD>
<TD rowSpan=2>M2Si-2</TD>
<TD>Q+T</TD>
<TD>65±1</TD>
<TD>刀具</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>C+Q+T</TD>
<TD>表层67±1，芯部65±1</TD>
<TD>刀具</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>高碳型</TD>
<TD>M2Si-3</TD>
<TD>Q+T</TD>
<TD>66±1</TD>
<TD>刀具</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>超硬型</TD>
<TD>M2Si-4</TD>
<TD>Q+T</TD>
<TD>67±1</TD>
<TD>刀具</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD colSpan=5>注：Q———淬火，T———回火，C———超饱和渗碳</TD></TR></TBODY></TABLE>
M2Si-1高速钢已有专文介绍。下面重点介绍M2Si-2、M2Si-3和M2Si-4高速钢。 2.1 M2Si-2和M2Si-3高速钢 1) 铸态及锻坯组织 M2Si-2、M2Si-3两种高速钢均用500kg中频炉炼成，先铸成电极棒，再经电渣重熔成Ø120电渣锭。由于Ø120电渣锭冷速快，再加上Si的作用，因此在M2Si-2铸锭组织中无共晶碳化物生成；因M2Si-3含碳量高，故在铸锭组织中有共晶碳化物生成，但奥氏体晶粒很小(边缘为5级，中心为3级)，共晶碳化物也很细。Ø120电渣锭用750kg空气锤锻成40×40方坯，其碳化物偏析情况列于表2。 
表2 M2Si-2、M2Si-3、M2、W9的碳化物不均匀级别比较 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 width="100%" borderColorLight=#000000 border=1>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD>钢号</TD>
<TD>电渣锭尺寸(mm)</TD>
<TD>钢坯尺寸(mm)</TD>
<TD>碳化物不均匀级别</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2Si-2</TD>
<TD>Ø120</TD>
<TD>40×40</TD>
<TD>1</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2Si-3</TD>
<TD>Ø120</TD>
<TD>40×40</TD>
<TD>2</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2</TD>
<TD>Ø120</TD>
<TD>40×40</TD>
<TD>3</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>W9</TD>
<TD>Ø120</TD>
<TD>40×40</TD>
<TD>3</TD></TR></TBODY></TABLE>
由表2可见，M2Si-3高碳高速钢的碳化物不均匀级别低于M2和W9通用高速钢。 2) 热处理组织与性能 将40×40钢坯热轧成Ø120圆棒及Ø8盘元，再将Ø8盘元冷拔成各种规格的钢丝。测定M2Si-3、W9及M2Al退火钢坯的脱碳层，结果列于表3。 
表3 M2Si-3、W9、M2Al脱碳层厚度及退火硬度比较 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 width="100%" borderColorLight=#000000 border=1>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD>钢号</TD>
<TD>钢坯直径或边长 (mm)</TD>
<TD>脱碳层厚度 (mm)</TD>
<TD>退火硬度 (HB)</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2Si-3</TD>
<TD>35</TD>
<TD>0.40</TD>
<TD>256</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>W9</TD>
<TD>40</TD>
<TD>0.49</TD>
<TD>239</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2Al</TD>
<TD>45</TD>
<TD>0.50</TD>
<TD>248</TD></TR></TBODY></TABLE>
由表3可见，M2Si-3的脱碳较M2Al及W9轻，退火硬度与M2Al相近。 3) 淬回火后组织与性能 将Ø20圆棒加工成Ø18×8试样，在盐浴中加热至不同温度淬火。加热时间按t=KV/F计算，K取60s/mm。淬火后在不同温度回火，测定回火后硬度，并观察淬火组织。表4为M2Si-2、M2Si-3淬回火后的硬度、奥氏体晶粒度及最大碳化物尺寸。 
表4 M2Si-2、M2Si-3淬回火后硬度、奥氏体晶粒度及最大碳化物尺寸 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 width="100%" borderColorLight=#000000 border=1>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD rowSpan=2>钢号</TD>
<TD rowSpan=2>淬火 温度 (℃)</TD>
<TD colSpan=8>三次回火后硬度(HRC)</TD>
<TD rowSpan=2>奥氏 体晶 粒度</TD>
<TD rowSpan=2>最大碳 化物尺寸 (µm)</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>未 回火</TD>
<TD>200℃ 回火</TD>
<TD>400℃ 回火</TD>
<TD>500℃ 回火</TD>
<TD>520℃ 回火</TD>
<TD>540℃ 回火</TD>
<TD>560℃ 回火</TD>
<TD>580℃ 回火</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD rowSpan=4>M2Si-2</TD>
<TD>1200</TD>
<TD>65.7</TD>
<TD>64.6</TD>
<TD>63.9</TD>
<TD>64.0</TD>
<TD>64.6</TD>
<TD>64.9</TD>
<TD>64.7</TD>
<TD>63.5</TD>
<TD>11.5</TD>
<TD><3</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1220</TD>
<TD>65.5</TD>
<TD>64.8</TD>
<TD>64.1</TD>
<TD>64.4</TD>
<TD>64.4</TD>
<TD>65.1</TD>
<TD>65.0</TD>
<TD>63.9</TD>
<TD>11</TD>
<TD><3</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1240</TD>
<TD>64.9</TD>
<TD>64.0</TD>
<TD>63.6</TD>
<TD>64.5</TD>
<TD>65.3</TD>
<TD>65.4</TD>
<TD>65.2</TD>
<TD>64.5</TD>
<TD>10</TD>
<TD><3</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1260</TD>
<TD>64.6</TD>
<TD>63.5</TD>
<TD>63.2</TD>
<TD>64.5</TD>
<TD>65.3</TD>
<TD>65.6</TD>
<TD>65.5</TD>
<TD>64.3</TD>
<TD>9</TD>
<TD><3 
<TR align=middle>
<TD rowSpan=4>M2Si-3</TD>
<TD>1200</TD>
<TD>66.2</TD>
<TD>64.8</TD>
<TD>65.1</TD>
<TD>66.6</TD>
<TD>66.7</TD>
<TD>67.0</TD>
<TD>66.3</TD>
<TD>64.2</TD>
<TD>12</TD>
<TD><4</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1220</TD>
<TD>66.0</TD>
<TD>64.6</TD>
<TD>64.8</TD>
<TD>66.8</TD>
<TD>66.9</TD>
<TD>67.2</TD>
<TD>66.4</TD>
<TD>65.0</TD>
<TD>11.5</TD>
<TD><4</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1240</TD>
<TD>65.7</TD>
<TD>64.3</TD>
<TD>64.5</TD>
<TD>67.0</TD>
<TD>67.2</TD>
<TD>67.5</TD>
<TD>66.7</TD>
<TD>65.6</TD>
<TD>10.5</TD>
<TD><3</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1260</TD>
<TD>65.3</TD>
<TD>64.2</TD>
<TD>64.3</TD>
<TD>66.9</TD>
<TD>67.1</TD>
<TD>67.4</TD>
<TD>66.9</TD>
<TD>66.0</TD>
<TD>10</TD>
<TD><3</TD></TR></TBODY></TABLE>
由表4可见，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淬回火后的硬度则高于CM2。 4) 抗弯强度、冲击韧性与红硬性 测定M2Si-2、M2Si-3、M2和M35的抗弯强度、冲击韧性及红硬性，所得结果列于表5(其中带*号数据取自有关文献)。 
表5 抗弯强度、冲击韧性及红硬性比较 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 width="100%" borderColorLight=#000000 border=1>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD>钢号</TD>
<TD>淬回火后硬度 (HRC)</TD>
<TD>sbb(MPa)</TD>
<TD>ak(J/cm2)</TD>
<TD>600℃三次回火后硬度(HRC)</TD>
<TR>
<TR align=middle>
<TD>M2Si-2</TD>
<TD>65.2</TD>
<TD>4872</TD>
<TD>53</TD>
<TD>62.8</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2Si-3</TD>
<TD>66.5</TD>
<TD>4636</TD>
<TD>45</TD>
<TD>64.4</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2</TD>
<TD>65.0</TD>
<TD>3317</TD>
<TD>35*</TD>
<TD>61.5*</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M35</TD>
<TD>67.0</TD>
<TD>3623</TD>
<TD>-</TD>
<TD>-</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>CM2</TD>
<TD>67.0*</TD>
<TD>2800*</TD>
<TD>-</TD>
<TD>64.3*</TD></TR></TBODY></TABLE>
由表2～5可见，由于提高了M2的Si含量，减轻了碳化物偏析，细化了碳化物，使淬火温度范围变宽，淬火奥氏体晶粒变细，强度升高，脆性下降，从而使M2Si-2的性能全面优于M2，M2Si-3的性能全面优于CM2。 2.2 M2Si-4高速钢 研制M2Si-4的目的是开发一种比M2A1更优质、更廉价的超硬高速钢。M2Si-4用中频炉炼制，铸成电极棒，经电渣重熔成Ø400及Ø170两种电渣锭。Ø400锭用快锻机开坯，锻至Ø150后再用精锻机锻成Ø80圆棒，取样检查碳化物偏析；Ø170电渣锭用精锻机开坯，锻至80×80，退火后再用750kg锤锻至40×40，取样检查碳化物偏析。另切取一段40×40钢坯，用250kg小锤锻成Ø20及13×13棒，加工成试样作性能试验。M2Si-4的锻造性能与M2类似。 1) 碳化物偏析 碳化物偏析检查结果列于表6(用于对比的M2Al及M2的部分数据取自其它文献)。 
表6 M2Si-4、M2Al、M2碳化物不均匀度比较 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 width="100%" borderColorLight=#000000 border=1>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD>钢号</TD>
<TD>规格(mm)</TD>
<TD>检查部位</TD>
<TD>不均匀度</TD>
<TD>最大碳化物尺寸(µm)</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD rowSpan=3>M2Si-4</TD>
<TD>Ø80</TD>
<TD>10mm表层</TD>
<TD>2～3</TD>
<TD>6</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>Ø80</TD>
<TD>R/2</TD>
<TD>4～5</TD>
<TD>12</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>Ø80</TD>
<TD>中心</TD>
<TD>4～5</TD>
<TD>12</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2Al</TD>
<TD>40×40</TD>
<TD>1/4对角线</TD>
<TD>2</TD>
<TD>12</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2</TD>
<TD>40×40</TD>
<TD>1/4对角线</TD>
<TD>2</TD>
<TD>12</TD></TR></TBODY></TABLE>
由表6可见，Ø80圆棒R/2处的碳化物不均匀度符合标准要求。由于采用精锻机锻造，故表层碳化物不均匀度仅为2～3级，这对制造大尺寸刀具十分有利。40×40钢坯的碳化物不均匀度达到2级，十分理想。淬火并高温回火状态下的最大碳化物尺寸与M2相同。 2) 淬回火后硬度、奥氏体晶粒度及最大碳化物尺寸 取Ø20圆棒加工成Ø18×8试样，在盐炉中加热至不同温度时淬火，加热时间按t=KV/F计算，K取60s/mm。淬火后在不同温度回火，观察淬、回火后的组织结构，并测定淬回火硬度，结果列于表7。 
表7 M2Si-4淬回火后硬度与组织 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 width="100%" borderColorLight=#000000 border=1>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD rowSpan=2>淬火温 度(℃)</TD>
<TD colSpan=5>三次回火后硬度(HRC)</TD>
<TD rowSpan=2>奥氏体 晶粒度</TD>
<TD rowSpan=2>最大碳化物 尺寸(µm)</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>未回火</TD>
<TD>520℃</TD>
<TD>540℃</TD>
<TD>560℃</TD>
<TD>580℃</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1160</TD>
<TD>66.4</TD>
<TD>66.4</TD>
<TD>66.5</TD>
<TD>67.3</TD>
<TD>67.1</TD>
<TD>11.5</TD>
<TD>10</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1180</TD>
<TD>65.6</TD>
<TD>66.2</TD>
<TD>67.1</TD>
<TD>67.8</TD>
<TD>67.2</TD>
<TD>11</TD>
<TD>10</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1200</TD>
<TD>65.4</TD>
<TD>66.3</TD>
<TD>67.5</TD>
<TD>68.0</TD>
<TD>67.3</TD>
<TD>11</TD>
<TD>8</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1220</TD>
<TD>64.6</TD>
<TD>65.8</TD>
<TD>67.6</TD>
<TD>68.1</TD>
<TD>67.8</TD>
<TD>10.5</TD>
<TD>6</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1240</TD>
<TD>64.3</TD>
<TD>65.3</TD>
<TD>66.6</TD>
<TD>68.5</TD>
<TD>67.2</TD>
<TD>10</TD>
<TD>6</TD></TR></TBODY></TABLE>
观察金相组织可知，M2Si-4淬火态的碳化物细小、均匀，故淬火范围宽，奥氏体晶粒不易长大，无混晶，在1160℃淬火即可获得67HRC以上硬度。但应注意，表7是对Ø20圆棒的测试结果，对于大直径钢棒，则应选用更高的淬火温度。 3) 抗弯强度、冲击韧性及红硬性 测定M2Si-4的抗弯强度、冲击韧性及红硬性，结果列于表8、表9，并与其它文献所载M2A1及M42的性能指标进行对比。由表8数据可见，M2Si-4的抗弯强度和冲击韧性均优于M2A1及M42。由表9数据可见，M2Si-4在600℃时的红硬性优于M2A1，与M42相当，但在更高温度下，M2Si-4的红硬性低于M42。 
表8 M2Si-4、M2Al、M42的抗弯强度和冲击韧性比较 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 width="100%" borderColorLight=#000000 border=1>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD>钢号</TD>
<TD>淬回火工艺</TD>
<TD>硬度(HRC)</TD>
<TD>sbb(MPa)</TD>
<TD>ak(J/cm2)</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD rowSpan=2>M2Si-4</TD>
<TD>Q(1160℃)+T(560℃)</TD>
<TD>67.3</TD>
<TD>4165</TD>
<TD>40</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>(1220℃)+T(560℃)</TD>
<TD>68.1</TD>
<TD>3720</TD>
<TD>41</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2Al</TD>
<TD>Q(1220℃)+T(550℃)</TD>
<TD>68.1</TD>
<TD>3850</TD>
<TD>28</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M42</TD>
<TD>Q(1180℃)+T(540℃)</TD>
<TD>69.0</TD>
<TD>2700</TD>
<TD>17</TD></TR></TBODY></TABLE> 表9 M2Si-4、M2Al、M42的红硬性比较 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 width="100%" borderColorLight=#000000 border=1>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD>钢号</TD>
<TD>淬火温度(℃)</TD>
<TD>回火温度(℃)</TD>
<TD>600℃三次回火后硬度(HRC)</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD rowSpan=5>M2Si-4</TD>
<TD>1160</TD>
<TD>560</TD>
<TD>64.5</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1180</TD>
<TD>560</TD>
<TD>66.0</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1200</TD>
<TD>560</TD>
<TD>66.2</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1220</TD>
<TD>560</TD>
<TD>66.5</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>1240</TD>
<TD>560</TD>
<TD>67.1</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M2A1</TD>
<TD>1220</TD>
<TD>550</TD>
<TD>65.8</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>M42</TD>
<TD>1180</TD>
<TD>540</TD>
<TD>66.4</TD></TR></TBODY></TABLE>
综合表6～表8数据可知，由于Si能细化碳化物，改善碳化物分布，因此M2Si-4在热处理时不会出现混晶，且各项性能均优于M2A1。钢的性能不仅与钢料成分有关，还与生产过程及热处理工艺有关。表中所列M2Si-4的性能指标是用Ø170电渣锭锻成Ø20及13×13钢棒得出的。在实际应用中，碳化物不均匀度较严重的大截面钢材的性能指标将低于表中数据。同样，用于对比的M2A1、M42的性能指标也不一定代表其最佳性能，但表中所列数据仍能说明问题。 3 结论 根据上述分析可得出以下结论： 适当提高Si含量，可有效改善碳化物的大小及分布，从而使高速钢性能全面提高。 调整碳含量可有效控制淬回火硬度。通过调整碳含量得到的M2Si-2高速钢的性能优于M2高速钢，M2Si-3高速钢的性能优于CM2高速钢，M2Si-4高速钢的性能优于M2A1高速钢。

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