高速鋼的生產(chǎn)和質(zhì)量控制技術(shù)

陳佳藝 朱雷敏 殷子豪 肖 炯 劉海寧 仲紅剛

（上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心，上海 200444）

高速鋼含有大量強(qiáng)碳化物形成元素，具有高硬度、高韌性、高耐磨性及紅硬性，用來制造各種高速切削工具及性能要求高的模具等［1］。由于碳化物含量高，高速鋼在生產(chǎn)過程中極易形成聚集或粗大的碳化物，嚴(yán)重降低其韌性，從而影響切削工具的使用壽命。

稀土元素及孕育劑的添加能有效改善高速鋼中碳化物的尺寸和分布，提高力學(xué)性能，但對其加入的數(shù)量和方法并沒有明確的規(guī)定［2-3］。脈沖電磁場是一種節(jié)能、操作簡單、效果顯著的新技術(shù)，受到了廣泛重視。研究表明，脈沖電磁場可細(xì)化金屬的凝固組織，減輕元素宏觀偏析，改善夾雜物的形態(tài)和分布［4］。

本文綜述了高速鋼的主要生產(chǎn)技術(shù)、常見的凝固組織缺陷及鋼中碳化物的控制方法，展望了高速鋼生產(chǎn)工藝的發(fā)展，認(rèn)為通過脈沖電磁場控制高速鋼凝固過程、改善產(chǎn)品性能，是高品質(zhì)高速鋼生產(chǎn)技術(shù)的重要研究課題。

1 高速鋼的主要生產(chǎn)技術(shù)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)高速鋼冶煉技術(shù)得到了進(jìn)一步改進(jìn)，新型生產(chǎn)技術(shù)也不斷出現(xiàn)。高速鋼的生產(chǎn)技術(shù)主要有熔煉法、粉末冶金法和噴射成形法等。

1.1 熔煉法

早期的高速鋼生產(chǎn)工藝主要是電弧爐熔煉與模鑄技術(shù)相結(jié)合，電弧爐熔煉具有高效率、高質(zhì)量、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是高速鋼的主要冶煉工藝［5］。但由于鑄錠中心與邊緣的冷卻速率差異較大，大尺寸高速鋼鑄錠在凝固過程中會產(chǎn)生嚴(yán)重的宏觀偏析和粗大碳化物等缺陷，導(dǎo)致脆性增大，在后續(xù)熱處理過程中鋼材有開裂的風(fēng)險［2］。采用傳統(tǒng)冶煉工藝生產(chǎn)大型高速鋼鑄錠有一定的局限性。

目前，電渣重熔法已成為冶煉高速鋼的主要技術(shù)。電渣重熔法可實現(xiàn)快速精煉，所生產(chǎn)的鋼錠純凈度高、組織致密、熱加工性能良好。但采用傳統(tǒng)電渣重熔工藝冶煉小型高速鋼鑄錠尚存在速度慢、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高、環(huán)境污染較嚴(yán)重等問題［6-8］。為解決上述問題，奧地利Inteco公司研制了快速電渣重熔技術(shù)（electroslag rapid remelting，ESRR），將電極插入結(jié)晶器，從而改變結(jié)晶器熱分配。該技術(shù)的成功開發(fā)使小型高速鋼鑄錠實現(xiàn)了快速、連續(xù)生產(chǎn)，其熔煉速度是傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)的3～7倍［9］。東北大學(xué)鋼鐵冶金研究所開發(fā)了雙極串聯(lián)電渣連鑄技術(shù)，結(jié)合了電渣重熔技術(shù)和連鑄技術(shù)的優(yōu)點，成功解決了小尺寸鑄錠熔速慢、成本高的難題［10］。其運行過程為：高溫渣池使電極熔化并進(jìn)行渣洗，使金屬液滴聚集于金屬熔池，在水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻下逐漸凝固成鋼坯，再用拉坯裝置將鋼坯連續(xù)拉出。采用該技術(shù)生產(chǎn)的高速鋼鑄錠成型質(zhì)量較好，具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價值。

1.2 粉末冶金法

粉末冶金法主要包括粉末制備、成形和燒結(jié)等過程。采用粉末冶金法生產(chǎn)的高速鋼碳化物細(xì)小彌散，其平均直徑為熔煉高速鋼的1／5左右［11］；粉末高速鋼具有高硬度及良好的切削性能，適用于制造沖擊載荷較高的刀具及難以加工的刀具。但是采用粉末冶金法生產(chǎn)高速鋼成本較高、工藝復(fù)雜，僅適用于高附加值的小尺寸工件。此外，應(yīng)盡可能降低粉末中的氧含量，并避免孔隙等缺陷的產(chǎn)生［12-13］。

1.3 噴射成形法

噴射成形工藝具有近終形制造的特點，與采用粉末冶金法相比其生產(chǎn)高速鋼的周期大大縮短［14］，成本更低，且同樣具有亞快速凝固的特點［15］。噴射成形的高速鋼的宏觀偏析及凝固組織明顯改善，成品性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)冶煉工藝生產(chǎn)的高速鋼［16］。但該技術(shù)工藝過程復(fù)雜且未成熟，難以提高大尺寸高速鋼件的組織均勻性，目前還處于實驗室研究階段。噴射成形工藝具有較大的發(fā)展?jié)摿?，今后?yīng)重點研究如何減少噴射粉末的用量、研發(fā)噴涂粉末的再利用技術(shù)等，進(jìn)一步擴(kuò)大噴射成形技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模［17］。

2 常見的高速鋼缺陷

高速鋼含有大量W、Mo、Cr和V等強(qiáng)碳化物形成元素，凝固過程中易形成多種合金碳化物。這些碳化物具有熔點高、硬度高、穩(wěn)定性好、性脆等特點，尤其是尺寸較大的一次共晶碳化物，淬火加熱時難以溶解，對高速鋼的質(zhì)量和性能有較大的影響［18］，受到了研究者的高度關(guān)注。

高速鋼中常見的不良碳化物特征主要有［2，19-22］：（1）粗大、形狀不規(guī)則，會導(dǎo)致高速鋼的塑性和韌性降低，碳化物顆粒脫落形成裂紋，易造成刀具開裂，縮短疲勞壽命；（2）嚴(yán)重偏聚，均勻性差，易剝落，造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致刀具斷裂、崩刃；（3）二次碳化物少。二次碳化物是高速鋼的主要強(qiáng)化相，彌散分布的二次碳化物可強(qiáng)化基體、提高性能。但隨著淬火溫度的升高或退火次數(shù)的增加，基體中的小尺寸碳化物溶解，二次碳化物數(shù)量減少，導(dǎo)致高速鋼的硬度和耐磨性降低。

另外，非金屬夾雜物也是高速鋼中的主要缺陷之一，主要有氧化物、硫化物和氮化物等。其產(chǎn)生原因為［23］熔體中脫氧劑殘留、低溫下雜質(zhì)元素析出、外來雜質(zhì)介入及鋼液氧化等。

鋼中非金屬夾雜物的種類、數(shù)量、形狀、大小均會對鋼材性能產(chǎn)生一定的影響。脆性夾雜物對鋼的韌性危害較大，由于該夾雜物延展性差，一旦聚集便會產(chǎn)生微裂紋甚至發(fā)展成表面宏觀裂紋［24］。夾雜物的數(shù)量越多，聚集面積越大，越易造成基體應(yīng)力集中，導(dǎo)致開裂。小顆粒非金屬夾雜對鋼材的影響不大，但很有可能成為裂紋源；大尺寸夾雜物破壞性較大，影響刀具的表面質(zhì)量及力學(xué)性能［25］。通過適當(dāng)改進(jìn)冶煉工藝、提高鋼水潔凈度、減少大尺寸非金屬夾雜物等措施，能有效提高高速鋼的力學(xué)性能和疲勞壽命［26］。

3 高速鋼中碳化物的控制

3.1 化學(xué)方法

3.1.1 稀土元素合金化

稀土元素的添加對高速鋼凝固組織有兩方面作用：一方面，稀土元素能凈化晶界［27-28］，與O、S元素結(jié)合形成氧化物夾雜和硫化物夾雜，在凝固階段可作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)形核及晶體生長，提高形核率；晶粒依附于夾雜物生長，阻礙夾雜物的聚集長大，使夾雜物球化、彌散分布［29］。另一方面，在較高溫度下高速鋼中的共晶碳化物發(fā)生分解，晶界的滑移阻力因稀土元素和分解的第二相微粒對晶界的釘扎作用而增大，抑制晶粒長大；同時稀土氧化物在鋼中彌散分布，具有良好的固溶強(qiáng)化效果，提高了鋼的硬度和韌性［30-31］。Li等［32］研究了Ce對M2高速鋼凝固組織的影響，發(fā)現(xiàn)Ce能減輕Mo、W等元素的偏析，使鋼中共晶碳化物數(shù)量減少；丘立一等［33］研發(fā)了一種實用稀土高速鋼W9Mo3Cr4VRE，其稀土元素鑭和鈰的添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.1% ～0.3%，采用電渣重熔工藝生產(chǎn)的鋼純凈度高，晶粒明顯細(xì)化，碳化物的數(shù)量及分布均顯著改善。

采用稀土元素改善高速鋼中碳化物仍有一定的局限性：一是改善高速鋼質(zhì)量所需的稀土元素添加量還不明確，需根據(jù)質(zhì)量要求制定有關(guān)稀土元素加入量的工藝規(guī)范［2］；二是稀土易氧化，導(dǎo)致其加入困難、收得率低，甚至形成大尺寸夾雜物。另外，稀土元素并不能顯著改善宏觀偏析，鑄錠芯部易形成粗大碳化物。

3.1.2 孕育劑變質(zhì)處理

金屬在熔融狀態(tài)下加入活性元素后，凝固組織變得致密，晶粒顯著細(xì)化，因此被定義為孕育處理［34］。早期孕育處理用于改善鑄鐵的凝固組織，后來逐漸擴(kuò)展到其他鑄造合金。孕育劑分單質(zhì)孕育劑和復(fù)合孕育劑，復(fù)合孕育劑中不同元素可以相互促進(jìn)、激發(fā)，其效果優(yōu)于單質(zhì)孕育劑［34-35］。但是，孕育處理時孕育劑的加入量需合理控制，加入過多會影響回火后的二次硬化效果［3，35］。若孕育劑是強(qiáng)碳化物形成元素，其加入雖然會導(dǎo)致鑄態(tài)組織中的碳化物大量析出，但形成的MC型碳化物在后續(xù)淬火過程中能阻止奧氏體晶粒長大，細(xì)化鑄態(tài)晶粒［36］。祖寧［37］研究發(fā)現(xiàn)，高速鋼經(jīng)Fe-V-Nb復(fù)合孕育劑處理后，碳化物破碎，晶粒細(xì)化，硬度顯著提高。當(dāng)前，高速鋼的孕育處理已取得了一定成效，但仍需進(jìn)一步研究孕育劑的添加工藝［2-3］，孕育處理效果也需進(jìn)一步提高。

3.2 物理方法

3.2.1 電磁攪拌

電磁攪拌已成功應(yīng)用于鋼鐵的連鑄生產(chǎn)中，在國內(nèi)外得到了廣泛重視和應(yīng)用。一般認(rèn)為，電磁攪拌產(chǎn)生的電磁力能沖刷枝晶前沿，使樹枝晶熔斷，從而細(xì)化凝固組織［38-39］；同時，電磁力能均勻熔體的溫度場和溶質(zhì)場，增強(qiáng)熔體對流，改善溶質(zhì)分布，減輕鑄件偏析［40］。周宏等［41］發(fā)現(xiàn)，在SKH51高速鋼凝固過程中施加電磁攪拌，凝固組織呈球狀等軸晶，碳化物的分布及形態(tài)得到改善，宏觀偏析明顯減輕。符寒光等［42-44］在高速鋼軋輥離心鑄造過程中施加電磁攪拌，研究了在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場中高速鋼軋輥中合金元素偏析的變化，結(jié)果顯示，與不加電磁場的相比，施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.053 T的磁場使V、Mo和W元素的偏析比分別降低了62.7%、31.9%和60.6%，宏觀偏析明顯減輕。馮明杰等［45］采用φ100 mm立彎式鑄機(jī)，在結(jié)晶器的彎月面附近安裝電磁感應(yīng)線圈進(jìn)行高速鋼的連續(xù)鑄造，研究了W9高速鋼的電磁連續(xù)鑄造工藝和鑄坯的凝固組織特征，結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)冶煉高速鋼相比，電磁連續(xù)鑄造的高速鋼鑄坯宏觀冶金質(zhì)量得到了明顯改善，碳化物分布更加均勻，萊氏體網(wǎng)平均厚度小于16 μm。

目前，電磁攪拌技術(shù)改善金屬凝固組織的效果不盡相同，能否用于高速鋼的連鑄工業(yè)化生產(chǎn)仍需進(jìn)一步研究。

3.2.2 脈沖電流技術(shù)

近年來，脈沖電流技術(shù)已成功應(yīng)用于多種材料的生產(chǎn)，如低熔點的Sn-Pb合金［46-47］、中高熔點的Al-Cu 合金［48］、高熔點鋼鐵材料［48］及納米材料［50］等，已成為改善材料組織和性能的重要技術(shù)手段。Liao等［51］認(rèn)為，金屬熔體經(jīng)脈沖電流處理后，由于結(jié)晶雨效應(yīng)，凝固組織明顯細(xì)化。

鄒磊［52］研究了脈沖電流對W6Mo5Cr4V2高速鋼凝固組織的影響，結(jié)果顯示，脈沖電流處理不改變碳化物種類，網(wǎng)狀碳化物經(jīng)脈沖電流處理后逐漸分裂、趨于球化，碳化物分布更均勻，合金元素偏析程度減輕；隨著脈沖電流和電壓的提高，高速鋼中有更多網(wǎng)狀碳化物斷裂，碳化物數(shù)量減少且彌散分布；其中脈寬參數(shù)有一個中間值，以脈寬50 μs為界，網(wǎng)狀碳化物的斷裂趨勢隨著脈寬的增大先增加后減?。?3］。

目前，脈沖電流對高速鋼凝固過程的研究還僅限于實驗室，在高速鋼工業(yè)生產(chǎn)中并沒有得到應(yīng)用，還需深入研究脈沖電流細(xì)化高速鋼凝固組織的機(jī)制和影響規(guī)律。

3.2.3 脈沖磁場技術(shù)

研究和實踐證明，脈沖磁場能明顯細(xì)化金屬凝固組織，但多數(shù)研究都限于鎂合金［54］、鋁合金［55］、鋁銅合金［56］等有色金屬及生物材料領(lǐng)域［57］。

在高速鋼的生產(chǎn)方面，趙文祥等［58］研究了磁場頻率、磁場強(qiáng)度、處理時間對高速鋼組織和硬度的影響，在脈沖磁化工藝參數(shù)合適的情況下，高速鋼的硬度明顯提高，馬氏體含量增多，凝固組織均勻。馬利平等［59-60］研究了脈沖磁化處理對M42高速鋼組織和力學(xué)性能的影響，經(jīng)脈沖磁化處理后，鋼中碳化物數(shù)量明顯增多，晶粒明顯細(xì)化，顯微硬度及切削性能明顯提高。許伯鈞等［61］研究了脈沖磁場回火對高速鋼組織和性能的影響，結(jié)果表明，高速鋼在脈沖磁場中回火能顯著改善馬氏體中合金碳化物的分布，改善高速鋼的二次硬化效果，產(chǎn)品的平均使用壽命提高了40% ～140%。李桂榮等［62］在高速鋼離心鑄造過程中施加脈沖電磁場，結(jié)果顯示，當(dāng)磁場頻率為6 Hz時，合金元素的偏析明顯改善，與未施加脈沖磁場的相比，常規(guī)力學(xué)性能均提高了10%。

目前，采用脈沖磁場技術(shù)改善高速鋼凝固組織的研究較少，應(yīng)深入研究脈沖磁場對高速鋼凝固過程的作用機(jī)制，確定改善高速鋼凝固組織和成分偏析的最佳電磁工藝參數(shù)，推動脈沖磁場技術(shù)在高速鋼生產(chǎn)中的工業(yè)化應(yīng)用。

3.2.4 脈沖磁致振蕩技術(shù)

翟啟杰等［4，63-64］在揭示脈沖電流細(xì)化金屬凝固組織機(jī)制的基礎(chǔ)上提出了脈沖磁致振蕩（PMO）凝固均質(zhì)化技術(shù)。該技術(shù)將脈沖電流導(dǎo)入感應(yīng)線圈，在固-液界面產(chǎn)生電磁感應(yīng)，促進(jìn)固-液界面的形核，達(dá)到細(xì)化凝固組織的效果。PMO技術(shù)改善金屬凝固組織的機(jī)制主要為［65-67］：（1）PMO產(chǎn)生的電磁感應(yīng)促進(jìn)熔體固-液界面的形核，在電磁力引起的熔體流動及晶核重力的作用下，晶核不斷下落、漂移，形成結(jié)晶雨；（2）PMO處理過程中產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)和強(qiáng)制對流減小了熔體的溫度梯度，減緩柱狀晶的生長，從而使柱狀晶區(qū)域縮小，等軸晶區(qū)面積擴(kuò)大；（3）PMO產(chǎn)生的電磁力使熔體內(nèi)產(chǎn)生雙環(huán)流，熔體流動引起的溫度擾動熔斷了更多的枝晶尖端，枝晶碎片作為異質(zhì)形核核心游離到熔體內(nèi)，進(jìn)一步擴(kuò)大等軸晶區(qū)域。

與脈沖電流技術(shù)、脈沖磁場技術(shù)相比，PMO導(dǎo)入方式不需要接觸金屬熔體，因此不會造成熔體污染。電磁感應(yīng)只作用在固-液界面附近，金屬液面較平穩(wěn)，處理效果顯著且能耗低，是推動電磁冶金發(fā)展的一項重要技術(shù)發(fā)明［63］。

研究表明，PMO 技術(shù)對工業(yè)純鋁［68-69］、Al-Si合金［70］、Al-Cu 合金［71］及齒輪鋼、軸承鋼、工具鋼等［72-74］的凝固組織均有明顯的細(xì)化效果，目前已成功應(yīng)用于特殊鋼的連鑄生產(chǎn)中，其裝置示意圖如圖1［75］所示。經(jīng)過PMO處理的鑄坯等軸晶區(qū)面積擴(kuò)大，中心疏松和縮孔顯著減少，元素宏觀偏析明顯減輕［76-77］。

圖1 二冷區(qū)脈沖磁致振蕩試驗示意圖［75］Fig.1 Schematic diagram of the pulse magnetooscillation test in secondary cooling zone［75］

PMO凝固均質(zhì)化技術(shù)不僅對金屬凝固組織有明顯的細(xì)化作用，而且鋼中夾雜物及碳化物的尺寸和分布均能得到明顯改善。徐燕祎等［78-79］研究了PMO對結(jié)晶器內(nèi)鑄坯中夾雜物的影響，發(fā)現(xiàn)施加PMO有利于消除小尺寸夾雜物，使夾雜物數(shù)量明顯減少，且隨著PMO電流的增大，大尺寸夾雜物去除效率明顯提高。石昊等［80-81］研究了PMO技術(shù)對GCr15軸承鋼中碳化物的影響，經(jīng)PMO處理后，大尺寸的棒狀碳化物數(shù)量減少，彌散分布的球狀碳化物數(shù)量增多。

為解決高速鋼中碳化物粗大及分布不均勻等問題，在10 kg高速鋼凝固過程中施加PMO，發(fā)現(xiàn)經(jīng)PMO處理的鑄錠組織均勻性顯著改善。圖2為M2高速鋼中共晶碳化物網(wǎng)的形貌，其中鑄錠中心由于冷卻速度小、碳化物偏析嚴(yán)重，1／2半徑處及邊部的共晶碳化物網(wǎng)較厚。經(jīng)過PMO處理后，碳化物網(wǎng)明顯細(xì)化，共晶區(qū)域縮小。

圖2 未經(jīng)過（a，b，c）和經(jīng)過（d，e，f）脈沖磁致振蕩處理的M2 高速鋼鑄錠邊部（a，d）、1／2 半徑處（b，e）和中心（c，f）的顯微組織Fig.2 Microstructures at edge（a，d），half radius below surface（b，e）and centre（c，f）of a high speed steel ingot not subjected （a，b，c）and subjected（d，e，f）to PMO treatment

4 總結(jié)與展望

隨著人們對高速鋼性能要求的進(jìn)一步提高，必須生產(chǎn)高性能高質(zhì)量的高速鋼。當(dāng)前限制高速鋼品質(zhì)提升的主要問題是碳化物粗大及分布不均勻。傳統(tǒng)的熔煉鑄造法難以有效控制碳化物偏析，電渣重熔法、粉末冶金及噴射成形等技術(shù)能有效減小碳化物尺寸，但效率低、能耗高，難以工業(yè)應(yīng)用。

在高速鋼凝固過程中施加PMO可促進(jìn)形核，細(xì)化凝固組織，抑制宏觀偏析，從而有效控制碳化物的尺寸和改善其分布均勻性。目前，該技術(shù)已投入特殊鋼連鑄的工業(yè)應(yīng)用，均質(zhì)化效果顯著。PMO與連鑄技術(shù)的結(jié)合為高質(zhì)量低成本高速鋼的生產(chǎn)提供了新的技術(shù)途徑，有望實現(xiàn)高品質(zhì)高速鋼的高效生產(chǎn)。為了促進(jìn)PMO技術(shù)在高速鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用，還需要從以下幾方面進(jìn)行更深入的研究：

（1）進(jìn)一步研究PMO細(xì)化高速鋼碳化物的機(jī)制。

（2）優(yōu)化適用于高速鋼工業(yè)生產(chǎn)的PMO處理參數(shù)，使其能更有效地改善高速鋼的凝固組織和綜合性能。

（3）研究PMO與稀土元素的共同作用對高速鋼凝固組織的影響，開發(fā)新一代具有致密組織及優(yōu)良性能的高速鋼材料。