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特殊钢生产工艺技术概述（2）

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-09-18

特殊钢生产工艺技术概述（2） 3 合金工具钢生产工艺技术　　3.1 前言　　合金工具钢是制造模具、量具和刃具的原材料，是在碳工钢成分的基础上，加上铬、钼、钒、钨等合金元素，提高淬透性、韧性、耐磨性和热硬性等。　　我国合金工具钢牌号较多，GB1299-85标准中包括33个。按加工方法分为压力加工用钢和切削加工用钢。按用途分为量具刃具用钢（9SiCr等6个钢号）、耐冲击工具用钢（4CrW2Si等3个钢号）、冷作模具钢（Cr12、Cr12Mo1V1等10个钢号）、热作模具钢（5CrMnMo、4Cr5MnSiV等12个钢号）、无磁模具钢（7Mn15Cr2AI3C2WMo）、塑料模具钢（3Cr2Mo）。　　3.2 性能　　刃具钢要求具有高温硬度、耐磨性、高韧性和适当的强度。量具钢应具有较高的硬度和耐磨性以及一定的强度和韧性，以减少磨损和破坏，同时还应具有较高的组织稳定性，以免发生时效或其它相变而变形影响尺寸稳定性。冷作模具钢必须具有高强度、高硬度、高耐磨性和足够的韧性。热作模具钢还必须具有良好的抗热疲劳性、耐磨性及冲击韧性。可见合金工具钢有3种最主要的性能，即钢的耐磨性、韧性和高温硬度。钢中加入铬、钼、钨、钒等合金元素，就可以改善和提高上述性能。各个合金元素在合工钢中的作用，以及彼此作用大小的顺序如下[2]，提高耐磨性：V、W、Mo、Cr、Mn；提高淬透性：Mn、Mo、Cr、Si、Ni、V（固溶于奥氏体后）；减小淬火变形：与Cr同时存在的Mo、Cr、Mn；细化晶粒、提高韧性：V、W、Mo、Cr；增大热硬性：W、Mo、Co（和W或Mo同时存在）。　　除合金元素外，钢的凝固条件也是很重要的，因为钢液凝固时产生结晶偏析，同时形成碳化物网，这类碳化物的存在对钢的韧性不利，而且会降低耐磨性。另外，工具钢尤其是模具钢的关键部位或部件大部分是多向受力，因此，提高材料的等向性能，改善横向的韧性和塑性，可以大幅度提高工模具的使用寿命。近年来，国外各主要特殊钢厂均致力于开发高等向性能的模具钢，如奥地利伯乐钢厂、日本日立金属公司安来工厂。这些高等向性能模具钢的塑性、韧性值相当于纵向值80％~90％（一般模具钢为40％～60％），可提高模具寿命1～3倍。1999年由国家冶金工业局主持，抚顺特殊钢（集团）有限责任公司与北京钢铁研究总院承担的《高质量高性能模具钢开发、应用及市场一体化创新工程》国家技术创新项目研究方向是：模具钢的高淬透性、高耐磨性、高耐热疲劳性、高耐蚀性、优良退磁性等。　　提高合金工具钢的纯净度，如降低4Cr5MoSiV1钢的磷含量（从0.03％降至0.01％），可使淬回火后的冲击值提高1倍。将钢中的氧含量降低，也可以显著改善钢的韧性，国外有的特殊钢厂已将模具钢的氧含量规定为≤15×10-6。　　3.3 生产工艺　　合金工具钢的冶炼水平是保证钢的化学成分和基本性能的先决条件，尤其是对保证钢的等向性、纯洁度和碳化物均匀性起到关键作用。目前主导的冶炼工艺是电炉??二次精炼（喷粉精炼、钢包精炼、真空处理等方法），对于更高要求的钢种，则采用电渣或真空电弧重熔工艺。　　由于合金工具钢的特殊性，目前铸钢仍以模铸为主，为保证钢锭质量，广泛采用了保护气体浇铸、真空浇铸、保护渣等防止二次氧化技术。为了提高钢材的收得率，国外有些特殊钢厂已经采用连铸工艺生产中、低合金工具钢，对高合金莱氏体模具钢正在开展连铸工艺试验。常选用大截面连铸机，多半选择大弯曲半径或立式、水平连铸机。在连铸生产中一般都采用保护浇铸、液面控制和多极电磁搅拌技术，以确保铸坯质量。　　凝固形成的显微偏析，只有在高温下各元素的扩散作用才能得到改善，因此在一些高合金模具钢的大型钢锭或枝晶严重的钢锭，以及要求具有良好的等向性的钢，都进行扩散退火，也称均匀化退火。如奥地利伯乐钢厂对H13进行试验，对4～6 t钢锭加热到1 280～1 300℃，保温24～30 h退火后快冷到800 ℃，然后转入保温炉使其完成相变，再升温进行锻造加热，经均匀化后Mo在钢中的偏析度可以从1.5下降到1.1，可使横向性能与纵向性能比较接近，在提高横向性能（即提高等向性）的同时，还可以减少热处理变形，提高热作模具钢的抗冷热疲劳性能，从而使模具寿命得到提高。　　锻造使铸态组织中的孔洞焊合，改善钢的致密性，随着锻比加大，锻件的纵向和横向机械性能明显提高。另一方面，锻造将偏析沿流动方向延伸形成带状组织，对韧性不利，当锻比超过一定数值后，横向机械性能（与金属流动方向垂直的方向）急剧下降，导致锻件出现各向异性。因而锻比过小过大都是不合适的。锻比对韧性的影响是这两种因素作用的综合结果[8]。　　为了提高模具钢的等向性，一般都采用多向轧制及多向镦锻。为了提高成材率、生产效率和钢材的尺寸精度，多采用高效率、高精度的快锻机、精锻机和精轧机。　　奥地利GFM公司设计的WF型CNC控制的3或5机架平立可逆精轧机组，就是专门用来生产高精度尖角模具扁（方）钢的。抚顺特殊钢有限公司成功地引进了1套WF5－40机组，已于1995年试车投产。合金工具钢的质量和性能不仅受到成分、冶炼和加工等的影响，还与热处理密切相关。选择合适的热处理制度，并采用能够准确控制的先进热处理设备，对于充分发挥材料的潜能是不可缺少的。如消除内应力退火，预硬化处理，固溶处理，调质处理，球化退火表面处理等。广泛采用大型连续式可控气氛或保护气氛退火炉。图3为我国某特殊钢厂工（模）具钢生产工艺流程示意图。 　　4 高速工具钢生产工艺技术　　4.1 前言40～60）×10-6，硫含量约0.01％。炉外精炼可将氧含量降到20×10-6，氮含 　　高速工具钢也叫“锋钢”，是高碳高合金工具钢，钢中含碳量为0.7%～1.4％，钢中含有能形成高硬度碳化物的合金元素，如钨、钼、铬、钒等，高速钢就是利用上述金属元素，一方面推迟马氏体分解，一方面产生二次硬化。二者综合的结果，使高速钢具有良好的红硬性。　　高速钢主要用于制造切削速度高、耐磨性好、且要在高温下能保持其切削性能的工具，如铣刀、刨刀、滚刀、拉刀、丝锥、铰刀等。也可以用于制作冷作模具，还可制作高温轴承、高温弹簧。　　高速钢是合金钢中生产量最少，品种规格繁多，生产技术难度较大的钢种。按主要合金元素不同分为钨系（如W18Cr4V）、钼系（如W2Mo9Cr4VCo8）和钨钼系（如W6Mo5Cr4V3）；按用途分为通用型（W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2）和超硬型（W6Mo5Cr4V2　　Co8）；按压力加工成型方法可分为锻材、轧材、冷拉材；按钢材外形区分为棒材、线材、扁钢、板带材；按交货状态分黑皮材和银亮材，在银亮材中又有剥皮、磨光及抛光之分。高速工具钢棒技术条件（GB9943－88）中，列出了14个钢的牌号。　　4.2 性能　　高速钢除要求高硬度、高耐磨性以外，还要求高红硬性，即在高速切削条件下刀刃不会因发热而软化的性能。这类钢在适当淬火回火热处理后的硬度，一般高于HRC63，高的可达HRC68~70，目前多把后者称为超硬型高速钢，并且在600 ℃左右，仍然保持HRC 63～65的高硬度。红硬性也叫赤热硬性或热稳定性，与钢的室温硬度或高温硬度都有一定的关系。但在切削条件下，由于刀具反复受热和冷却，情况比较复杂，目前只是近似地用人为规定的指标来表示红硬性。　　铸态的高速钢为莱氏体钢。这类钢的铸态组织以粗大的共晶莱氏体网和黑色组织为主要特征。这种共晶莱氏体的相组成物是γ和M6C[Fe3W3C～Fe4W2C，Fe3Mo3C～Fe4Mo2C，Fe3（W，Mo）3C～Ｆe4（W1Mo）2C等]。M6C以鱼骨状的形态分布在奥氏体周围，鱼骨状碳化物骨络之间填充的是共晶γ相。这种共晶莱氏体严重损害着高速钢的性能。铸态组织中的黑色组织则是δ相的共析分解产物，其相组成物也是γ和M6C。但其组织特征是片状的珠光体型的，只是由于在低倍显微镜下不易分辨清楚其片层，呈黑色，故常称为黑色组织。莱氏体中的共晶碳化物，在1 300 ℃高温下也难溶于奥氏体中，因此无法通过热处理来改变其形态。只有通过塑性变形使其细化。变形程度愈大，碳化物共晶体愈细化，分布愈均匀。　钢的纯洁度主要影响钢的塑韧性、焊接性和某些含铝高速钢的强韧性。单一电弧炉冶炼的高 速钢，氧含量一般在（ 量约100×10-6，硫含量在0.01%以下。对其热塑性的提高和降低脆性倾向有益。高速钢具有低塑性和高 变形抗力；同时，由于组织中存在熔点较低的共晶偏析区，当加热到1 250 ℃以上时，偏析区的晶粒长 大，晶界熔化，极易产生过热、过烧现象；高速钢含碳量高，所以也易脱碳；高速钢的宽展量较碳素钢 大1.1倍；轧或锻后，空气中过快冷却，淬成马氏体组织，易产生裂纹（高速钢坯、材，热轧后必须进行 缓冷）。 　　总之，高速钢含碳量高和含有大量的颗粒度不同、成分不同的合金碳化物，正是由于这些碳化物对高速钢的性能起了重要作用，但同时也给高速钢的生产带来了相当大的难度。　　4.3 生产工艺　　一般要求的通用型高速钢工艺流程为：　　电炉?模铸（下注）?退火或热送开坯锻造或初轧?退火?修磨?开二次坯或加工成材?成品退火?精整?包装?出厂。　　要求较高质量的大断面高速钢工艺流程为：　　电炉?浇注电极坯?退火?电渣重熔?退火?开坯?退火?修磨?退火?精整检查?包装?入库。　　棒?棒银亮材生产工艺流程为：　　矫直?两端切齐倒棱?修磨?无芯磨床粗磨、精磨?抛光?精矫?防腐处理?包装?入库。　　线?棒银亮材生产工艺流程为：　　盘条喷丸去鳞?开卷、矫直?冷拔?精矫?剪断?矫直、抛光?涡流探伤?精磨?防腐处理?包装?入库。　　线?线银亮材生产工艺流程为：　　盘卷酸洗或抛丸去鳞Φ5.5～Φ10 mm?冷拔?真空退火?冷拔?真空退火?直至成品?涡流探伤?包装入库。　　我国某特殊钢厂高速钢生产工艺流程为：　　30 t电炉熔炼－注锭（或铸电极－退火－电渣重熔）－2 000 t 快锻机开坯（大圆）或1 000 t精锻机开坯（小圆）－退火－修磨－1 000 t精锻机成材或轧制成材－退火－精整检查－包装－入库。　　高速钢生产绝大多数都用电弧炉（15～30 t，带有电磁搅拌装置），模铸钢锭仍是各国普遍采用的。电渣重熔对于大断面高速钢材不仅能改善钢的纯洁度，更重要的是保证大钢锭有较快的凝固速度，避免共晶碳化物粗化，使得大断面成材时，既能保证足够的锻压比，又能保证内部冶金质量，有的国家习惯于Φ100 mm以上用电渣重熔，有的则定为Φ150 mm以上。为了使高速钢碳化物破碎更有效，控制变形量和变形温度，通常用快锻机与精锻机联合生产高质量要求的大断面材。中小型材和钢丝生产已普遍采用高精度无扭连轧机。　　棒材退火用保护气氛连续辊底式炉，可以得到组织均匀、硬度波动范围小、不脱碳、氧化烧损小的效果。盘圆退火用保护气氛或真空罩式炉（或井式炉），可以得到上述效果。　　特殊钢厂对钢材精整十分重视，尤其是对高速钢，精整作业线的场地通常是成材轧制线的1～1.5倍。高速钢材的精整线包括：初矫、喷丸、精矫、倒棱、剥皮、精矫、抛光、光谱分析、超声和涡流探伤、分检、测径、分析、自动打印、称重、自动打捆包装。 宁波金百联轴承有限公司供应微型至中型深沟球轴承、圆锥滚子轴承、短圆柱滚子轴承、平面推力轴承、英制系列轴承、带座球面轴承、及各种特制非标轴承等。 电话：022-58059063 13102005112 邮箱：web@okbbearing.com 地址：宁波市丽园北路1730??1736号
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