硅影響M2高速鋼中碳化物形成和轉(zhuǎn)變的研究.pdf

1、在裝備工業(yè)快速發(fā)展的今天，高速鋼作為一種重要的工具材料，再次引起世界各國(guó)的關(guān)注，并作為前沿先進(jìn)材料之一再次列入我國(guó)十二五科技發(fā)展規(guī)劃中。通常情況下，高速鋼在凝固過(guò)程中形成的網(wǎng)狀共晶碳化物必須通過(guò)鍛軋變形來(lái)破碎。多數(shù)情況下，變形需要多道次。而對(duì)一些大體積或大規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行變形是十分困難的，甚至是不可能的。即使對(duì)尺寸較小的產(chǎn)品，共晶碳化物的破碎效果有時(shí)也不能令人滿意。已有資料表明硅對(duì)鑄態(tài)組織中碳化物的類型有重要影響，且硅可能促進(jìn)M2高速鋼中

2、M2C共晶碳化物在高溫?zé)崽幚頃r(shí)的分解。但這些研究是非常有限且零散的，所以弄清楚硅對(duì)通用型M2高速鋼鑄態(tài)組織中的碳化物以及高溫?zé)崽幚頃r(shí)M2C共晶碳化物分解過(guò)程的影響規(guī)律十分必要，從而使在小變形量時(shí)大尺寸產(chǎn)品中化合物的細(xì)化成為可能。因此，本課題的研究工作不僅具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值，還可以為實(shí)際生產(chǎn)中合理熱處理工藝的制定提供理論依據(jù)，對(duì)于其它鋼或者新鋼種的開(kāi)發(fā)也有一定的借鑒，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和重要意義。
　　 本文通過(guò)金相顯微鏡、掃描電

3、子顯微鏡及能譜分析儀、X射線衍射分析儀、差熱分析儀和Thermo-Calc軟件計(jì)算等手段，系統(tǒng)研究了硅對(duì)M2高速鋼鑄態(tài)組織、熱處理過(guò)程中共晶碳化物的分解及粗化和變形后的組織與性能的影響，結(jié)合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)探討了硅對(duì)碳化物形成和轉(zhuǎn)變的影響機(jī)理。主要研究結(jié)果如下：
　　 添加硅會(huì)對(duì)鑄態(tài)M2高速鋼中共晶萊氏體和共析體產(chǎn)生重要影響。常規(guī)M2高速鋼鑄態(tài)組織中的共晶碳化物為富含鎢和鉬的片層狀M2C。硅含量添加至0.8％時(shí)，共晶碳化物的類型和

4、形貌沒(méi)有明顯變化。當(dāng)硅含量為1.6％和2.4％時(shí)，共晶碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)椤棒~(yú)骨”狀M6C，片層狀M2C碳化物完全消失。隨著硅含量的增加，鑄態(tài)組織中的共析體從無(wú)到有，且越來(lái)越發(fā)達(dá)，共析碳化物從片層狀變?yōu)槌食纱氐慕z束狀，外圍有碳化物殼，主要為M6C碳化物。作為一種鐵素體形成元素，硅的添加影響合金元素的分配系數(shù)和活度系數(shù)，從而更有利于M6C碳化物的形成。硅的添加擴(kuò)大鐵素體相區(qū)，增加了包晶反應(yīng)后殘余δ鐵素體的量，從而在隨后冷卻中形成更多的共析體。

5、r>　　 添加硅促使高速鋼中的M2C共晶碳化物在較低的溫度或以更快的速度分解。在熱處理過(guò)程中，片層狀共晶碳化物M2C發(fā)生相變分解為細(xì)小的MC和M6C碳化物。隨著保溫溫度的升高以及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物的分解越來(lái)越明顯。M2高速鋼在1100℃×4h、1150℃×2h和1200℃×30min的熱處理中M2C碳化物完全分解，M2-0.8Si高速鋼中的M2C碳化物分解完成的幾種熱處理工藝是1100℃C×2h、1150℃×1h和1200℃×15

6、min。硅的添加促進(jìn)了相同熱處理?xiàng)l件下鋼中共晶碳化物M2C的分解，主要原因是增加分解產(chǎn)物的形核率。所述熱處理?xiàng)l件下，硅的添加更利于碳化物的細(xì)化，M2-0.8Si鋼中分解形成的顆粒狀和條/“花生”狀碳化物均比M2鋼中的碳化物尺寸小。
　　 在1200℃以上的高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，共晶碳化物發(fā)生分解后形成的細(xì)小碳化物會(huì)發(fā)生聚集粗化，硅對(duì)高溫處理過(guò)程中碳化物的粗化沒(méi)有發(fā)現(xiàn)抑制作用。在1225℃保溫15min時(shí)，M2和M2-0.8Si高速鋼

7、中的共晶碳化物分解，產(chǎn)物的尺寸分別約為0.63μm和0.65μm，比1200℃保溫15min的碳化物顆粒大，和1200℃保溫1h的相近。當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)30min，分解后的碳化物明顯粗化，出現(xiàn)塊狀或角狀碳化物，尺寸超過(guò)2μm。在1250℃的保溫過(guò)程中，碳化物的粗化也很明顯，成為塊狀或角狀碳化物，尺寸可達(dá)7μm及以上，并出現(xiàn)一些由于局部重熔而形成新的MC共晶碳化物?？傮w而言，在1225℃以下進(jìn)行熱處理時(shí)，含硅高速鋼中的分解產(chǎn)物尺寸并不比M2

8、高速鋼中分解產(chǎn)物的尺寸大。合適的分解溫度應(yīng)低于或等于1200℃。
　　 經(jīng)鍛造破碎后，M2-0.8Si高速鋼鍛坯中的碳化物比M2高速鋼中的碳化物更加細(xì)小均勻，而M2-1.6Si和M2-2.4Si高速鋼鍛坯中由于“魚(yú)骨”狀共晶碳化物的破碎不完全仍有“魚(yú)骨”狀碳化物存在。M2-0.8Si高速鋼鍛前1165℃加熱保溫2.5h的鍛坯獲得較好的綜合性能，其硬度為66.7HRC，抗彎強(qiáng)度達(dá)到3250MPa。經(jīng)軋制后棒材中碳化物進(jìn)一步破碎，但

9、在硅含量為1.6%和2.4%的高速鋼棒材中仍存在一些塊狀的碳化物，對(duì)性能不利。M2-0.8Si高速鋼鍛前1165℃加熱保溫2.5h經(jīng)軋制的棒材的力學(xué)性能優(yōu)于其它實(shí)驗(yàn)條件下的棒材，其獲得較高綜合性能的最佳熱處理?xiàng)l件為：1180℃淬火540℃回火，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)4183MPa，硬度為65.5HRC。
　　 片層狀M2C碳化物的“相變細(xì)化”使得高速鋼在鍛造及軋制加工后棒材中的碳化物顆粒尺寸較小，而沒(méi)發(fā)生相變的“魚(yú)骨”狀碳化物僅發(fā)生“機(jī)