汝亞彬，楊天亮，曹麗紅，劉 宇，劉寶石，于宗洋，陳秀強(qiáng)，楊 松，許運(yùn)松，祝仁龍

（1.撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順 113001；2.廣東雄峰特殊鋼有限公司，廣東廣州 510000）

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高端制造業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械技術(shù)朝著高速度、高效率、高精度的方向發(fā)展[1]。高性能高速鋼相比普通高速鋼具有更好的耐磨性、紅硬性和使用的可靠性，由于價(jià)格高，過去主要用在航空航天工業(yè)難加工的材料。隨著人們對(duì)切削加工效率的追求和觀念的轉(zhuǎn)變，高性能高速鋼刀具大量的使用在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，并收到了提高切削速度和加工質(zhì)量、使用可靠和延長(zhǎng)刀具壽命的效果。“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的現(xiàn)代高效刀具取代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)刀具，成為發(fā)達(dá)國(guó)家工具工業(yè)發(fā)展的主流[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐美市場(chǎng)高性能高速鋼的比例達(dá)到35%以上，我國(guó)不到15%。國(guó)內(nèi)各大特鋼企業(yè)均投入力量研發(fā)高性能高速鋼，但質(zhì)量水平與國(guó)外還存在一定的差距，致使高端制造業(yè)以及軍用刀具材料大量依賴進(jìn)口。本文研究了一種特殊的電渣和鍛造工藝，對(duì)提高M(jìn)35鍛制圓鋼質(zhì)量水平效果明顯，為高性能高速鋼的國(guó)產(chǎn)化提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

2 生產(chǎn)工藝

本文中M35鍛制圓鋼生產(chǎn)工藝流程為：EAF+LF+VD+電渣重熔（多電極）→2000快鍛+鍛錘聯(lián)合成材→鋼材紅送退火。成品削皮狀態(tài)交貨，規(guī)格φ100mm，其化學(xué)成分、超聲波探傷及非金屬夾雜物均合格，共晶碳化物不均勻度達(dá)到5級(jí)，比國(guó)標(biāo)≤6級(jí)提高1級(jí)，達(dá)到進(jìn)口同規(guī)格鋼材水平。

為了保證M35鍛制圓鋼質(zhì)量，采取超高功率電弧爐冶煉，配以爐外精煉、真空脫氣處理及氬氣保護(hù)澆注，有效地脫氣并把鋼水中的非金屬夾雜物減至最少，澆注φ90mm電極。將3支電極捆綁焊接后進(jìn)行電渣重熔，如圖1所示，電渣重熔過程合理控制熔速及進(jìn)出水溫差，澆注φ360mm電渣錠，電渣錠紅送至鍛造車間。成品熱加工采用2,000t快鍛+3t鍛錘聯(lián)合鍛制成材，2,000t快鍛開坯中間坯尺寸φ230mm，再經(jīng)過鍛錘鍛打成型，鍛造過程鋼錠、坯加熱及回爐再燒溫度1,160～1,180℃，壓下量控制在30～60mm，終鍛溫度控制≥900℃，整個(gè)鍛制熱加工共計(jì)12火次完成，成品紅送退火。

圖1 多電極電渣重熔

通過采用以上措施，保證了成品圓鋼鍛制過程無(wú)表裂現(xiàn)象，成品探傷合格，并獲得均勻分布的共晶碳化物組織，以及更加細(xì)小的晶粒分布。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用M35圓鋼的冶煉化學(xué)成分如表1所示。

表1 M35鋼的化學(xué)成分 wt%

試驗(yàn)生產(chǎn)的M35成品φ100mm圓鋼，化學(xué)成分達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，根據(jù)1964年斯蒂文提出的高速鋼平衡碳公式（Cp=0.033W+0.063Mo+0.06Cr+0.20V）計(jì)算，其碳飽和度為0.82。高速鋼的碳飽和度波動(dòng)對(duì)使用性能和工藝性能都有明顯的影響，碳飽和度≥0.80時(shí)可以獲得更好的強(qiáng)韌性、紅硬性以及更高的二次硬度[3]，可以提高車刀、麻花鉆等刀具使用壽命。

從表2可以看出，通過電爐+LF+VD+電渣冶煉工藝生產(chǎn)的M35圓鋼中各類夾雜物粗系均為0級(jí)，硫化物細(xì)系為0.5級(jí)，氧化物細(xì)系為1.5級(jí)，純凈度滿足要求。

表2 M35鋼的純凈度

3.2 顯微組織

在φ100mm規(guī)格的M35圓鋼的邊緣、半徑1/2處及中心部位取樣，并觀察其縱向及橫向試樣上的顯微組織?？v向共晶碳化物不均勻度放大100倍并按GB/T14979-1994標(biāo)準(zhǔn)第二評(píng)級(jí)圖評(píng)級(jí)，邊緣3級(jí)、半徑1/2處4級(jí)，心部5級(jí)，如圖2所示。橫向大顆粒碳化物放大500倍按GB/T9943-2008標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，邊緣12μm、半徑1/2處12μm，心部16μm，如圖3所示。進(jìn)口φ91mm M35圓鋼半徑1/2處縱向及橫向顯微組織如圖4所示，縱向共晶碳化物不均勻度5級(jí)，橫向大顆粒碳化物16μm。

圖2 邊部、半徑1/2處及中心處縱向顯微組織

圖3 邊部、半徑1/2處及中心處橫向顯微組織

從顯微組織檢驗(yàn)結(jié)果看，試驗(yàn)鋼M35半徑1/2處的縱向和橫向碳化物分布更加均勻。其縱向共晶碳化物不均勻度4級(jí)，比GB/T9943-2008標(biāo)準(zhǔn)要求≤6級(jí)低2級(jí)，比進(jìn)口M35鋼相近規(guī)格的5級(jí)低1級(jí)；其橫向大顆粒碳化物比進(jìn)口M35鋼相近規(guī)格的16μm低4μm。有研究表明，凝固速度是影響高速鋼鑄態(tài)共晶碳化物粗細(xì)的主要因素，鋼錠在凝固過程中心部的冷卻速度要比表面慢，因此越大的錠型其共晶碳化物分別越不均勻，本文采用多電極電渣重熔使電極尺寸從正常的φ200mm調(diào)整為φ90mm，一定程度上改善了電極的鑄態(tài)組織。另外，通過鍛錘的鍛打可以有效地破碎鑄態(tài)組織中的網(wǎng)狀共晶碳化物，從而得到分布均勻的顯微組織。

圖4 進(jìn)口M35鋼半徑1/2處縱向及橫向顯微組織

3.3 淬回火硬度及淬火晶粒度

圖5為M35鋼淬回火硬度曲線，試樣分別在1,170℃、1,190℃和1,210℃溫度下淬火，并在25～650℃之間回火兩次?？梢钥吹?，M35鋼在1,210℃淬火和550℃回火后得到峰值硬度66.8HRC，在1,170℃淬火和550℃回火后硬度值也達(dá)到65.6HRC，淬回火硬度峰值可以達(dá)到65HRC以上，能夠滿足材料使用要求。

圖5 M35鋼淬回火硬度曲線

淬火晶粒度對(duì)高速鋼強(qiáng)度、韌性和使用壽命均有很大影響，根據(jù)材料的使用特點(diǎn)高速鋼淬火晶粒度通常控制在9～12級(jí)之間。圖6為M35鋼在不同淬火溫度下的晶粒度，按JB/T9986《工具鋼熱處理進(jìn)行檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)，1,170℃淬火晶粒度為10級(jí)，1,190℃淬火晶粒度為10級(jí)，1,210℃淬火晶粒度為9.5級(jí)。

圖6 M35鋼不同淬火溫度下的晶粒度

4 結(jié)論

（1）M35圓鋼采用超高功率電弧爐冶煉電極，配以爐外精煉及真空處理，各類夾雜物粗系均為0級(jí)，硫化物細(xì)系為0.5級(jí)，氧化物細(xì)系為1.5級(jí)，純凈度滿足要求。

（2）通過平衡碳理論控制碳飽和度0.82，可以獲得更好的強(qiáng)韌性、紅硬性以及更高的二次硬度。

（3）采取多電極焊接后電渣重熔以及鍛錘鍛打成型，獲得分布均勻的顯微組織，其縱向共晶碳化物不均勻度4級(jí)，比GB/T9943-2008標(biāo)準(zhǔn)要求≤6級(jí)低2級(jí)，比進(jìn)口M35鋼相近規(guī)格的5級(jí)低1級(jí)；其橫向大顆粒碳化物12μm，比進(jìn)口M35鋼相近規(guī)格的16μm低4μm。

（4）通過淬回火試驗(yàn)得到不同淬火溫度下的回火硬度，淬回火硬度峰值可以達(dá)到65HRC以上，能夠滿足材料使用要求。

（5）M35鋼在不同淬火溫度下的晶粒度，能夠達(dá)到10級(jí)或更細(xì)水平。