高溫合金鋼與工具鋼的軋制探討

徐 鋆

（靖江特殊鋼有限公司，江蘇 泰州 214500）

高溫合金鋼可以在600℃高溫以及應(yīng)力的共同作用下實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定工作，作為一種金屬材料高溫合金鋼具有良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化性和耐腐蝕性能。在當(dāng)今的建筑、汽車以及五金行業(yè)中工具鋼的應(yīng)用非常廣泛，工具鋼材經(jīng)過變形和熱處理之后在強(qiáng)度、硬度和耐疲勞性方面要比普通冷軋鋼更強(qiáng)。高溫合金鋼和工具鋼在進(jìn)行軋制的過程中會(huì)應(yīng)受到自身特性的影響而導(dǎo)致軋制要求更加嚴(yán)格。

1 冶煉

1.1 高溫合金鋼的冶煉

20世紀(jì)初隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，在制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增軋器過程中對(duì)合金的耐高溫性能提出了更加嚴(yán)格的要求，而高溫合金鋼由于自身具有良好的耐高溫的性能、極高的強(qiáng)度和良好的耐氧化性得到了快速發(fā)展。人們通常情況下將能夠在高溫環(huán)境下正常工作的合金稱為是超耐熱合金[1]。

對(duì)于超耐熱合金來說其主要是以鎳基合金為主，其中也會(huì)存在一部分鐵基，甚至鎳鐵基中還會(huì)添加少量的鉆基。超耐熱合金通常情況下都具有非常復(fù)雜的成分，其中兩種合金化元素的含量通常都比較高，超耐熱合金是在多種合金的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。人們對(duì)不銹鋼進(jìn)行改進(jìn)之后演化出了其中還有大量鐵元素的超耐熱合金。而且對(duì)于一些鎳基合金和鎳基來說其甚至可以追溯到奧氏體不銹鋼，而其余大部分鎳基合金則主要是從耐磨合金經(jīng)過演化和形成。

1.2 工具鋼的冶煉

在上世紀(jì)初隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，煉鋼企業(yè)開始積極尋求實(shí)現(xiàn)大噸位鋼錠的有效生產(chǎn)途徑，在此情形下非工具性鋼的重要性更加凸顯出來。在工業(yè)革命持續(xù)推進(jìn)過程中，針對(duì)煉鋼工藝的研究也在不斷深入，在此情形下煉鋼工藝以及鋼材特性改進(jìn)途徑更廣。人們?cè)谘芯窟^程中發(fā)現(xiàn)將錳加入鋼中之后能夠讓其性能得到有效改進(jìn)，此后人們開始逐步嘗試在實(shí)驗(yàn)中加入其他的合金添加劑，也讓工具鋼的性能得到了極大改進(jìn)。在當(dāng)今各行各業(yè)發(fā)展過程中所使用的工具鋼中不僅含有碳元素，而且多數(shù)情況下還會(huì)添加鈷、鉻、錳、鉬、鎳等一些合金元素，通過合金化后不僅可以讓工具鋼的淬火硬度得到有效提升，而且也能夠進(jìn)一步強(qiáng)化其固溶，因此對(duì)于工具鋼來說合金鋼屬于非常重要的一種影響因素[2]。

人們?yōu)榱诉M(jìn)一步改善工具鋼的性能開發(fā)出了多種合金元素的組合物。例如當(dāng)前美國的鋼材市場中工具鋼就被美國鋼鐵協(xié)會(huì)大致劃分為了70多個(gè)不同的牌號(hào)，其中覆蓋了1500多種工具鋼。每一個(gè)牌號(hào)按照高速鋼到低碳工具鋼又可以進(jìn)一步劃分為12種大類。

2 軋制

2.1 熱軋

對(duì)于高溫合金鋼和工具鋼來說其本身成分存在較大的變化，這種合金從一種變化到另一種會(huì)出現(xiàn)較大軋制特性的變化。因此在進(jìn)行熱軋的過程中往往具有更大難度。下圖1為部分高溫合金鋼軋制態(tài)的力學(xué)性能：(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)屈服階段放大圖。

圖1 部分高溫合金鋼軋制態(tài)的力學(xué)性能：(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)屈服階段放大圖

（1）凝固偏析。對(duì)于類似合金鋼來說其軋制難度大的主要原因在于具有極高的合金含量，二次相沉淀以及固溶強(qiáng)化等過程為主體形成了高溫強(qiáng)度。這也充分說明在進(jìn)行軋制或者是變形加工的過程中這種合金本身具有極高的抗變形特性。在強(qiáng)度不斷增加的情況下，其處在中溫范圍內(nèi)的任何溫度條件下合金的延伸率都相對(duì)較低。而且在鑄造過程中形成的顯微結(jié)構(gòu)非常容易發(fā)生分解，合金鋼的延伸率也會(huì)相應(yīng)下降，在此情況下就會(huì)使得其抗變形特性增加[3]。

通常情況下，類似的合金鋼在具有極高合金成分含量的情況下凝固過程中也會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的偏析趨勢。而且與其他方面的情況相比較，對(duì)于任何系列的高溫合金鋼來說其合金化元素體現(xiàn)出的這種趨勢更加明顯，而且這種偏析趨勢還會(huì)受到鋼錠凝固尺寸的影響。隨著錠模尺寸的不斷增大實(shí)際產(chǎn)生的偏析程度也會(huì)越來越大，而工具鋼在碳含量相對(duì)較高的情況下凝固碳化物偏析程度也會(huì)更加嚴(yán)重[4]。因此通常情況下工具鋼澆鑄過程中所使用的錠模都比較小。在實(shí)際生產(chǎn)的過程中可以利用顆粒冶金凝固技術(shù)來取代鋼錠模鑄造方法來有效解決工具鋼凝固偏析的問題。由于該技術(shù)能夠在凝固偏析控制方面表現(xiàn)出良好效果，目前在工具鋼和超耐熱合金領(lǐng)域中該技術(shù)的應(yīng)用正在逐步實(shí)現(xiàn)拓展，需要注意的是，這些合金在實(shí)際生產(chǎn)的過程中仍然是依靠鋼錠模的方式進(jìn)行鑄造。

（2）加熱溫度。在進(jìn)行鍛軋和熱軋之前，必須要通過加熱將鋼錠、板坯和方坯加熱到加工溫度。與普通合金的加熱過程相比較，多元合金的加熱過程要求更加嚴(yán)格。這主要是因?yàn)榕c普通鋼材相比較高合金鋼錠或者板坯材料本身的延伸率更差，而且熱傳導(dǎo)效率也相對(duì)更低。因上述因素的制約，在進(jìn)行工件加熱過程中加熱速度不能過快，否則工件非常容易產(chǎn)生裂紋[5]。因?yàn)樵擃惡辖痄摰臒醾鲗?dǎo)性能相對(duì)較差，當(dāng)加熱過快的情況下表面溫度快速升高，但此時(shí)工件中心的溫度升高相對(duì)緩慢，這樣就會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)較為嚴(yán)重的熱膨脹現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致工件中心被拉斷。針對(duì)這種現(xiàn)象通常情況下可以利用特定的時(shí)間步長來對(duì)爐溫升高的速度進(jìn)行控制。例如在進(jìn)行耐高溫合金5噸錠加熱的過程中，首先將其放置在1200℃的爐中，在該溫度環(huán)境下讓整個(gè)鋼錠緩慢升溫到軋制溫度。隨后，讓爐子按照每小時(shí)55℃的速度升溫，直到達(dá)到軋制溫度之后再進(jìn)行保溫處理，這樣就能夠充分保證整個(gè)鋼錠都能達(dá)到軋制溫度[6]。（我這邊都是冷坯加熱步進(jìn)梁式加熱爐，一般高溫段1170-1260）

對(duì)于大部分多元合金來說其實(shí)凝固過程中會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象，因此必須要在高溫的條件下鋼錠才能通過保持?jǐn)U散時(shí)間來實(shí)現(xiàn)成分不均勻性的有效控制。而要想讓鋼錠達(dá)到某種熱加工性能所需要的均勻化時(shí)間就必須要充分結(jié)合合金的具體成分、鋼錠大小以及熱加工工藝來進(jìn)行確定。部分合金在條件特點(diǎn)的情況下均勻化處理時(shí)間通常情況下處在0～60小時(shí)范圍內(nèi)，而為了能夠然后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的熱加工性能固溶反應(yīng)緩慢進(jìn)行設(shè)置長時(shí)間均勻化處理時(shí)間非常有必要。

如果鋼錠提前已經(jīng)通過了鍛造或者是預(yù)先軋制，在進(jìn)行熱軋過程中就對(duì)其加熱處理的要求不再嚴(yán)格。但需要注意的是，由于其熱傳導(dǎo)率相對(duì)較低因此還需要保障均勻加熱處理，而且在進(jìn)行熱軋之前必須要對(duì)軋件進(jìn)行均勻加熱處理這樣才能保證其溶度適當(dāng)[7]。通常情況下對(duì)于棒料或者是板坯來說基本加熱原則是將它們放置在具有一定溫度的熱爐中，并嚴(yán)格遵照2.5min/mm的規(guī)定進(jìn)行保溫。對(duì)于部分合金來說在利用上述規(guī)則進(jìn)行加熱和保溫出來的過程中，必須要嚴(yán)格把控加熱的時(shí)間，如果加熱時(shí)間過長會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生負(fù)面影響，工具鋼在加熱過程中這一點(diǎn)體現(xiàn)的尤為明顯。由于工具鋼通常情況下都具有較高的碳含量，如果保溫時(shí)間過長的情況下會(huì)出現(xiàn)表面脫碳而遭到破壞。而且在鋼件中也容易出現(xiàn)氧化皮，一旦保溫時(shí)間超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)間后會(huì)對(duì)金屬本身產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷。此外，在關(guān)注爐子加熱溫度和時(shí)間的過程中，還需要根據(jù)爐子的汽油比來實(shí)現(xiàn)過度脫碳和氧化皮的有效控制。另外還可以通過在制件表面設(shè)置涂層來進(jìn)行有效保護(hù)，避免其在保溫過程中出現(xiàn)脫碳和氧化皮等現(xiàn)象，對(duì)于高溫核心來說通常情況下不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重脫碳或者是氧化皮等問題，這主要是因?yàn)楦邷睾辖鹬斜旧硖己肯鄬?duì)較低，而且具有良好的耐氧化性能，因此也不會(huì)產(chǎn)生大量氧化皮問題。

3 冷軋

工具鋼通常情況下不會(huì)采取冷軋的方式，這主要是因?yàn)樵诶錉顟B(tài)下時(shí)合金本身具有極高的強(qiáng)度，而且其延伸率非常低。而且在軋制過程中通常會(huì)形成棒材或方坯，因此完全可以采用熱軋方式來生產(chǎn)。高溫合金鋼的棒材和方坯通常情況下也是采取熱軋的方式。這種合金鋼通常會(huì)被加工成薄板式帶鋼，冷軋通常情況下只針對(duì)型鋼進(jìn)行加工時(shí)的最后一道工序種應(yīng)用。冷軋?jiān)谀透邷睾辖甬?dāng)中的應(yīng)用與普通鋼冷軋非常相似，但是與普通和金鋼相比較，高溫合金鋼在冷軋過程中會(huì)產(chǎn)生較大的抗變形能力，而且在加工過程中會(huì)出現(xiàn)硬化傾向。要想進(jìn)行冷軋就必須要在其加工硬化都不能軋縮之前完成。為了完成進(jìn)一步的深加工必須要將材料進(jìn)行退火處理，通過退火處理讓顯微組織能夠?qū)崿F(xiàn)重新結(jié)晶，過程中也會(huì)變軟。在進(jìn)行退火處理之前要結(jié)合具體的合金類型來選擇相應(yīng)的軋下量，在實(shí)際進(jìn)行退火的過程中高溫合金鋼通常都是退火溫度急冷的方法，通過附加的冷軋?zhí)幚砭湍軌蜃尣牧咸幵谧罴褷顟B(tài)。材料進(jìn)行退火冷卻的過程中，可以讓材料固溶退火結(jié)構(gòu)中的二次相沉淀進(jìn)一步減少。與此同時(shí)，耐高溫合金鋼的退火處理也要盡可能在有防護(hù)狀態(tài)下進(jìn)行，才能對(duì)其表面氧化問題進(jìn)行有效抑制，這樣加工出來的薄板或鋼帶才能保持光潔明亮。

4 結(jié)束語

再進(jìn)行高溫合金鋼的攻擊更加制的過程中需要對(duì)溫度、抗變形能力、下軋量、軋制速度等多種問題進(jìn)行綜合考慮，這樣才能保證誠信材料的質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。