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少无莱氏体高速钢
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 大连铁道学院 戚正风点击:
1. 引言
在诸多材料中，高速钢因具有良好的韧性及可加工性，迄今仍占据重要地位。高速钢为莱氏体钢，钢锭在凝固时形成莱氏共晶。莱氏共晶的存在会导致碳化物偏析及形成粗大碳化物，从而降低高速钢的锻、轧、拔等工艺性能及强度、韧性等使用性能。为克服此缺陷，人们进行了大量研究工作，其中最有成效的是采用方法生产粉末高速钢。采用该方法虽可消除莱氏共晶，从而消除碳化物偏析及粗大碳化物，提高高速钢的强度和韧性，但由于粉末冶金工艺复杂，导致粉末高速钢价格昂贵(为普通高速钢价格的10-15倍)。
为解决这一难题，我们研制了一种新型高速钢———少无莱氏体高速钢，并为此类钢研制了专用热处理工艺。该成果已获得1996年国家发明奖，并被确定为“九五”期间国家重点推广项目。
2. 性能与特点
通过降低高速钢中的含碳量，可使莱氏共晶的含量减少直至消失，从而使莱氏体钢变为少无莱氏体钢，故少无莱氏体高速钢又可称为低碳高速钢。此类钢经锻、轧成材，加工成刀具后，在淬火前可通过渗碳提高表层含碳量。此类钢与基体钢不同，后者既降低碳含量，同时又降低合金元素含量。此类钢与美国开发的渗碳高速钢亦不同，虽然此类钢在热处理时亦需进行渗碳处理，故亦可称为渗碳高速钢，但此类钢的原始含碳量取决于对芯部硬度的要求。为区别于已有的含碳量一定的渗碳高速钢，故称为少无莱氏体高速钢。此类钢与经渗碳处理的普通高速钢也不同，后者经渗碳后硬度虽也可达到67HRC，但其渗碳不可能消除已存在的碳化物偏析及粗大碳化物。以下分别介绍少无莱氏体高速钢的主要特点、品种系列及热处理工艺。
2.1 主要特点
(1)因此类钢中莱氏共晶含量少或不含莱氏共晶，故锻、轧成材后其碳化物偏析减轻或消失。
(2)此类钢的锻、轧、拔等工艺性能远优于普通高速钢，故轧制成材率高，锻造废品率低。
(3)由于此类钢的芯部含碳量低，故芯部硬度低、韧性好，并可根据刀具对芯部硬度的要求确定其含碳量。
(4)刀具表面的含碳量可通过淬火前的渗碳得到提高。高合金钢的渗碳为超饱和渗碳，在渗碳过程中有碳化物形成，与此同时，原有的含碳较低的碳化物会发生溶解。通过形核、长大而在渗层形成的新碳化物分布均匀，无碳化物偏析，且颗粒细小，其直径一般约为2μm，个别粗大碳化物的直径不超过6-7μm，其组织特征与粉末高速钢相同。由于不存在碳化物偏析及粗大碳化物，因此可允许渗层含碳量达到甚至高于平衡含碳量，淬火回火后硬度可达到66-67HRC以上，从而使刀具获得一层超硬、高韧的表层，可显著延长刀具使用寿命。
2.2 品种系列
目前已开发了以下少无莱氏体高速钢品种系列：
(1)通过降低普通高速钢的含碳量使之成为少无莱氏体高速钢，如DM2、DM42、DW18、DW9等。
(2)研制了高钒少无莱氏体高速钢D2-3-4-6。高钒高速钢以其高耐磨性著称，但由于其磨削性能较差，在生产中难以推广应用。通过采用降碳后再渗碳工艺，可使其渗层碳化物细化，从而改善了磨削性能，使高钒高速钢的推广应用成为可能。
(3)研制了含硅高速钢DM2Si。在低合金高速钢中，硅是一种必需的合金元素；但在高合金高速钢中，还未将硅作为合金元素。由于硅可促进碳化物转变，细化碳化物，且具有与钴相同的作用，因此将硅作为合金元素开发了含硅高速钢。
上述三类高速钢品种的合金成分见表1。
用少无莱氏体高速钢加工成刀具后，在淬火前应进行一次超饱和渗碳以提高表层含碳量。因高速钢为高合金钢，气体渗碳时极易产生内氧化，故不宜采用气体渗碳，而应采用固体渗碳或真空渗碳。渗碳后的淬火及回火与普通高速钢基本相同，仅需适当调整淬火及回火温度。
用于少无莱氏体高速钢的热处理工艺同样可用于普通高速钢，可使其硬度提高2HRC以上。但采用该工艺时，需适当调整工艺参数。
3. 应用实例
少无莱氏体高速钢可用于制作任何一种在使用后的修磨过程中不会将前后两个刀面的渗碳层全部修磨掉的刀具。我们已在多种刀具上试用并取得了成功，使刀具寿命大幅度提高。现将部分应用实例列于表2。
因少无莱氏体高速钢成材率高，废品率低，故钢材生产成本较普通高速钢低5-25元/kg；热处理时需增加一道渗碳工序，成本约增加5元/kg。综合计算，其生产成本远远低于粉末高速钢，不会高于普通高速钢，但使用寿命较普通高速钢可提高100%-400%，经济效益十分可观。
在诸多材料中，高速钢因具有良好的韧性及可加工性，迄今仍占据重要地位。高速钢为莱氏体钢，钢锭在凝固时形成莱氏共晶。莱氏共晶的存在会导致碳化物偏析及形成粗大碳化物，从而降低高速钢的锻、轧、拔等工艺性能及强度、韧性等使用性能。为克服此缺陷，人们进行了大量研究工作，其中最有成效的是采用方法生产粉末高速钢。采用该方法虽可消除莱氏共晶，从而消除碳化物偏析及粗大碳化物，提高高速钢的强度和韧性，但由于粉末冶金工艺复杂，导致粉末高速钢价格昂贵(为普通高速钢价格的10-15倍)。
为解决这一难题，我们研制了一种新型高速钢———少无莱氏体高速钢，并为此类钢研制了专用热处理工艺。该成果已获得1996年国家发明奖，并被确定为“九五”期间国家重点推广项目。
2. 性能与特点
通过降低高速钢中的含碳量，可使莱氏共晶的含量减少直至消失，从而使莱氏体钢变为少无莱氏体钢，故少无莱氏体高速钢又可称为低碳高速钢。此类钢经锻、轧成材，加工成刀具后，在淬火前可通过渗碳提高表层含碳量。此类钢与基体钢不同，后者既降低碳含量，同时又降低合金元素含量。此类钢与美国开发的渗碳高速钢亦不同，虽然此类钢在热处理时亦需进行渗碳处理，故亦可称为渗碳高速钢，但此类钢的原始含碳量取决于对芯部硬度的要求。为区别于已有的含碳量一定的渗碳高速钢，故称为少无莱氏体高速钢。此类钢与经渗碳处理的普通高速钢也不同，后者经渗碳后硬度虽也可达到67HRC，但其渗碳不可能消除已存在的碳化物偏析及粗大碳化物。以下分别介绍少无莱氏体高速钢的主要特点、品种系列及热处理工艺。
2.1 主要特点
(1)因此类钢中莱氏共晶含量少或不含莱氏共晶，故锻、轧成材后其碳化物偏析减轻或消失。
(2)此类钢的锻、轧、拔等工艺性能远优于普通高速钢，故轧制成材率高，锻造废品率低。
(3)由于此类钢的芯部含碳量低，故芯部硬度低、韧性好，并可根据刀具对芯部硬度的要求确定其含碳量。
(4)刀具表面的含碳量可通过淬火前的渗碳得到提高。高合金钢的渗碳为超饱和渗碳，在渗碳过程中有碳化物形成，与此同时，原有的含碳较低的碳化物会发生溶解。通过形核、长大而在渗层形成的新碳化物分布均匀，无碳化物偏析，且颗粒细小，其直径一般约为2μm，个别粗大碳化物的直径不超过6-7μm，其组织特征与粉末高速钢相同。由于不存在碳化物偏析及粗大碳化物，因此可允许渗层含碳量达到甚至高于平衡含碳量，淬火回火后硬度可达到66-67HRC以上，从而使刀具获得一层超硬、高韧的表层，可显著延长刀具使用寿命。
2.2 品种系列
目前已开发了以下少无莱氏体高速钢品种系列：
(1)通过降低普通高速钢的含碳量使之成为少无莱氏体高速钢，如DM2、DM42、DW18、DW9等。
(2)研制了高钒少无莱氏体高速钢D2-3-4-6。高钒高速钢以其高耐磨性著称，但由于其磨削性能较差，在生产中难以推广应用。通过采用降碳后再渗碳工艺，可使其渗层碳化物细化，从而改善了磨削性能，使高钒高速钢的推广应用成为可能。
(3)研制了含硅高速钢DM2Si。在低合金高速钢中，硅是一种必需的合金元素；但在高合金高速钢中，还未将硅作为合金元素。由于硅可促进碳化物转变，细化碳化物，且具有与钴相同的作用，因此将硅作为合金元素开发了含硅高速钢。
上述三类高速钢品种的合金成分见表1。
表1 少无莱氏体高速钢品种的合金成分(wt%)
注：钢号中D代表低碳。
表1所列钢种均已申请专利，并已有定点工厂生产。
用少无莱氏体高速钢加工成刀具后，在淬火前应进行一次超饱和渗碳以提高表层含碳量。因高速钢为高合金钢，气体渗碳时极易产生内氧化，故不宜采用气体渗碳，而应采用固体渗碳或真空渗碳。渗碳后的淬火及回火与普通高速钢基本相同，仅需适当调整淬火及回火温度。
用于少无莱氏体高速钢的热处理工艺同样可用于普通高速钢，可使其硬度提高2HRC以上。但采用该工艺时，需适当调整工艺参数。
3. 应用实例
少无莱氏体高速钢可用于制作任何一种在使用后的修磨过程中不会将前后两个刀面的渗碳层全部修磨掉的刀具。我们已在多种刀具上试用并取得了成功，使刀具寿命大幅度提高。现将部分应用实例列于表2。
表2 少无莱氏体高速钢刀具应用实例
*被锯材料硬度为42HRC，直径为25mm。
因少无莱氏体高速钢成材率高，废品率低，故钢材生产成本较普通高速钢低5-25元/kg；热处理时需增加一道渗碳工序，成本约增加5元/kg。综合计算，其生产成本远远低于粉末高速钢，不会高于普通高速钢，但使用寿命较普通高速钢可提高100%-400%，经济效益十分可观。
