CN116652128A - 一种细化m2高速钢铸态组织的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种细化M2高速钢铸态组织的方法。本发明提供了一种细化M2高速钢铸态组织的方法，包括以下步骤：按照M2高速钢的元素配比将原料混合进行熔炼，得到熔液；将所述熔液和合金混合依次进行合金化、LF精炼和VD脱气处理，得到钢液；将所述钢液进行连铸，得到连铸坯；将所述连铸坯进行连铸坯退火处理或将所述连铸坯依次进行热加工和成品材退火处理，得到所述M2高速钢。本发明采用连铸的方式制备连铸坯，使高含量的合金元素在凝固时来不及偏聚，减小了二次枝晶间距，有效地降低了M2高速钢中析出碳化物的最大尺寸，从而细化M2高速钢的铸态组织。

Description

一种细化M2高速钢铸态组织的方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种细化M2高速钢铸态组织的方法。
背景技术
M2高速钢由于其自身高硬度、高耐磨性、高韧性和高红硬性的特点，被广泛用于制造高速切削工具或高载荷模具。
目前主要采用模铸工艺生产M2高速钢，但模铸凝固过程中，由于铸锭外表面与心部的冷却强度不同，碳化物会逐渐产生偏析，使铸态组织中共晶碳化物呈现粗大的网状组织；铸锭尺寸越大，碳化物偏析越严重，这会影响材料后续的热加工、热处理工序和成品材的各项性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种细化M2高速钢铸态组织的方法，本发明提供的制备方法能够细化M2高速钢中的共晶碳化物，从而细化M2高速钢的铸态组织。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种细化M2高速钢铸态组织的方法，包括以下步骤：
按照M2高速钢的元素配比将原料混合进行熔炼，得到熔液；
将所述熔液依次进行合金化、LF精炼和VD脱气处理，得到钢液；
将所述钢液进行连铸，得到连铸坯；
将所述连铸坯进行连铸坯退火处理或将所述连铸坯依次进行热加工和成品材退火处理，得到所述M2高速钢。
优选的，所述连铸的拉坯速度为0.4～1.2m/min。
优选的，所述连铸为弧形连铸，所述弧形连铸包括以下步骤：
将所述钢液经过连铸中包输送至连铸结晶器冷却后由弧形连铸机拉出。
优选的，所述连铸结晶器为非正弦振动，所述非正弦振动的频率为80～180次/min，所述非正弦振动的振幅为3.0～6.0mm。
优选的，所述连铸结晶器采用强冷，所述强冷的比水量为0.10～0.50L/kg；
所述连铸的二冷采用弱冷，所述弱冷的比水量为0.10～0.18L/kg。
优选的，所述二冷伴随正反转辊式电磁搅拌，所述正反转辊式电磁搅拌的正转时间为14～16s，所述正反转辊式电磁搅拌的反转时间为4～6s。
优选的，所述连铸坯退火处理的温度为860～880℃，所述连铸坯退火处理的保温时间为4～8h。
优选的，所述M2高速钢包括以下质量百分含量的元素组分：C0.80～0.90wt.％，Si0.15～0.40wt.％，Mn0.20～0.45wt.％，Cr3.80～4.40wt.％，W5.50～6.75wt.％，Mo4.50～5.50wt.％，V1.75～2.20wt.％，Nb0.01～0.03wt.％，La和Ce的总质量百分含量为0.005～0.05wt.％，余量的Fe和不可避免的杂质。
本发明提供了一种细化M2高速钢铸态组织的方法，包括以下步骤：按照M2高速钢的元素配比将原料混合进行熔炼，得到熔液；将所述熔液和合金混合依次进行合金化、LF精炼和VD脱气处理，得到钢液；将所述钢液进行连铸，得到连铸坯；将所述连铸坯进行连铸坯退火处理或将所述连铸坯依次进行热加工和成品材退火处理，得到所述M2高速钢。本发明采用弧形连铸工艺细化M2高速钢铸态组织，从而是M2高速钢中碳化物细小且分布均匀，碳化物网宽度变小，二次枝晶间距减小，提高M2高速钢的耐磨性和断裂韧性，延长工模具使用寿命。
附图说明
图1为实施例1制备得到的连铸坯不同厚度处碳化物形貌图；
图2为对比例1制备得到的模铸坯不同厚度处碳化物形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种细化M2高速钢铸态组织的方法，包括以下步骤：
按照M2高速钢的元素配比将原料混合进行熔炼，得到熔液；
将所述熔液和合金混合依次进行合金化、LF精炼和VD脱气处理，得到钢液；
将所述钢液进行连铸，得到连铸坯；
将所述连铸坯进行连铸坯退火处理或将所述连铸坯依次进行热加工和成品材退火处理，得到所述M2高速钢。
在本发明中，如果没有特殊说明所有原料均为常规市售产品。
本发明按照M2高速钢的元素配比将原料混合进行熔炼，得到熔液。在本发明中，所述M2高速钢优选包括以下质量百分含量的元素组分：C0.80～0.90wt.％，Si0.15～0.40wt.％，Mn0.20～0.45wt.％，Cr3.80～4.40wt.％，Mo5.50～6.75wt.％，V4.50～5.50wt.％，Nb0.01～0.03wt.％，La和Ce的总质量百分含量为0.005～0.05wt.％，余量的Fe和不可避免的杂质，更优选为：C0.85～0.88wt.％，Si0.25～0.30wt.％，Mn0.30～0.40wt.％，Cr3.90～4.05wt.％，W5.70～6.50wt.％，Mo4.70～5.00wt.％，V1.90～2.10wt.％，Nb0.01～0.02wt.％，La和Ce的总质量百分含量为0.015～0.03wt.％，余量的Fe和不可避免的杂质。
本发明对所述混合无特殊要求，采用本领域常规的方式即可。
在本发明中，所述熔炼用熔炼炉优选为电弧炉。本发明对所述熔炼的温度无特殊要求，只要能够将原料熔融完全即可。在本发明中，所述原料优选来自废钢。
本发明优选在熔炼过程中进行吹氧助熔，所述吹氧助熔的方式优选包括炉门氧枪和炉壁多功能氧枪吹氧助熔。
本发明在所述熔炼过程中优选还包括造泡沫渣、吹氧脱碳和低温脱磷。本发明对所述造泡沫渣、吹氧脱碳和低温脱磷无特殊要求，采用本领域常规的方式即可。
得到熔液后，本发明将所述熔液和合金混合依次进行合金化、LF精炼和VD脱气处理，得到钢液。在本发明中，所述合金优选为钼铁合金、钒铁合金和高碳铬铁合金中的一种或多种。本发明优选在将熔液转移至钢包(出钢)过程中将合金和熔液混合。在本发明中，所述合金化的过程中优选还包括：对合金化体系进行脱氧处理。本发明优选在所述出钢过程中向熔液中添加铝进行脱氧；所述铝优选为铝块。本发明对所述铝的添加量无特殊要求，按照本领域常规的方式添加即可。在本发明中，所述出钢末期优选向熔液中添加石灰，所述石灰的添加量优选为400～600kg，更优选为500～550kg。本发明优选在所述出钢后将合金加入钢包。本发明优选在将合金加入钢包过程中保持向钢包中吹氩。本发明通过吹氩能够保证熔液体系中成分均匀、温度稳定。在本发明中，所述出钢后熔炼炉中优选留钢30～40吨，以避免氧化渣进入钢包。
在本发明中，所述LF精炼过程中优选包括脱氧；所述脱氧优选包括沉淀脱氧和/或扩散脱氧。本发明优选采用埋弧的方式脱氧。本发明优选在所述LF精炼前期喂铝线，还优选向钢包中添加精炼造渣剂。本发明在所述LF精炼过程中优选在钢包底吹氩气；通过在钢包底吹氩气能够保证体系中温度、成分的均匀性，同时促进气体及夹杂物上浮排除。在本发明中，所述LF精炼过程中白渣的时间优选不小于30min，更优选为35～45min。
在本发明中，所述VD脱气处理优选为VD真空脱气。本发明优选动态控制所述VD真空脱气的真空度和氩气流量以避免溢渣。本发明对所述真空度和氩气流量无特殊要求，采用本领域常规的方式即可。在本发明中，当所述VD真空脱气的极限真空度小于67Pa时优选提高氩气流量，保证脱气效果。在本发明中，所述VD真空脱气在极限真空度下的保持时间优选不小于20min，更优选为25～30min。在本发明中，真空后软吹氩时间优选不小于20min，更优选为25～30min。本发明通过软吹氩能够促进夹杂物上浮。本发明在软吹氩后优选对钢包中液体的成分检测，当钢包中液体成分合格后进行后续的连铸。在本发明中，所述钢液出钢包的温度优选为1450～1550℃，更优选为1500℃。
得到钢液后，本发明将所述钢液进行连铸，得到连铸坯。在本发明中，所述连铸坯的形状优选为长方体。在本发明中，所述长方体的横截面的尺寸优选为100mm×100mm～200mm×200mm，更优选为150mm×150mm～180mm×180mm。
在本发明中，所述连铸的拉坯速度优选为0.4～1.2m/min，更优选为0.8～1.2m/min。
在本发明中，所述连铸优选为弧形连铸，所述弧形连铸优选包括以下步骤：将所述钢液经过连铸中包输送至连铸结晶器冷却后由弧形连铸机拉出。在本发明中，所述连铸结晶器优选为非正弦振动，所述非正弦振动的频率优选为80～180次/min，更优选为100～150次/min。在本发明中，所述非正弦振动的振幅优选为3.0～6.0mm，更优选为4.0～5.0mm。本发明优选利用自动液位控制装置检测涡流液面，保证结晶器液面波动不大于±3mm。本发明优选在结晶器中进行电磁搅拌。
在本发明中，所述连铸结晶器优选采用强冷，所述强冷的比水量优选为0.10～0.50L/kg，更优选为0.23～0.3L/kg。本发明采用强冷能够提高坯壳厚度。在本发明中，所述连铸的二冷优选采用弱冷，所述弱冷的比水量优选为0.10～0.18L/kg，更优选为0.13～0.15L/kg。在本发明中，所述二冷采用弱冷能够能够降低冷却过程中产生的应力，避免开裂。本发明优选在二冷区进行电磁搅拌，所述电磁搅拌优选为辊式电磁搅拌。在本发明中，所述二冷区辊式电磁搅拌方式优选为正反转，所述正反转过程中正转时间优选为14～16s，更优选为15s，反转时间优选为4～6s，更优选为5s。
本发明通过控制二次冷却强度、拉坯速度和连铸结晶器的振动方式来控制连铸的拉矫温度，从而细化铸态组织中共晶碳化物尺寸和碳化物网的宽度，进而提高M2高速钢的性能。
在本发明中，钢液经长水口进入连铸中包，钢液面采用中包覆盖剂密封；钢液通过浸入式水口流入连铸结晶器，结晶器液面覆盖专用保护渣以增加结晶器内壁润滑效果；钢液在水冷结晶器中快速凝固形成坯壳。在本发明中，所述连铸全程保护浇注，中间包采用整体式水口，钢包采用长水口密封圈和吹氩保护。在本发明中，所述连铸中包的过热度优选为30～45℃，更优选为35～40℃。在本发明中，如果过热度控制过高，会加重铸坯偏析和缩孔；如果过热度过低，易造成水口堵塞。
在本发明中，所述连铸用装置优选为弧形半径为9m，四机四流立弯式连铸机。
得到连铸坯后，本发明将所述连铸坯进行连铸坯退火处理或将所述连铸坯依次进行热加工和成品材退火处理，得到所述M2高速钢。在本发明中，所述连铸坯退火处理前优选还包括：对所述连铸坯进行切割。本发明对所述切割后连铸坯的尺寸无特殊要求，根据需要进行切割即可。本发明优选对所述切割得到的连铸坯进行缓冷。在本发明中，所述连铸坯退火处理的温度优选为860～880℃，更优选为875～880℃；升温至所述连铸坯退火处理温度的升温速率优选为28～32℃/min，更优选为30℃/min；所述连铸坯退火处理的保温时间优选为4～8h，更优选为6～7h。
在本发明中，所述连铸坯退火处理后优选还包括：将连铸坯退火处理后的产品进行冷却，所述冷却后温度优选为650℃以下，更优选为500～600℃；所述冷却优选为随炉冷却。在本发明中，所述的冷却速率优选为8～12℃/s，更优选为10℃；所述连铸的冷却速率较模铸冷却速率高10倍以上，本发明在上述限定的连铸条件参数下进行连铸能够有效地细化碳化物网宽度和尺寸。
在本发明中，所述热加工优选包括锻造或轧制。本发明对所述锻造和轧制无特殊要求，根据客户对M2高速钢性能的需要进行即可。本发明对所述成品材退火处理无特殊要求，根据客户对M2高速钢性能的需要进行限定即可。
本发明采用弧形连铸工艺细化M2高速钢铸态组织，得到的M2高速钢中碳化物细小且分布均匀，碳化物网宽度变小，提高了M2高速钢的耐磨性和断裂韧性，延长了工模具使用寿命。
利用本发明提供的制备方法制备M2高速钢，提高了金属收得率、成坯率和M2高速钢质量的稳定性，并且节约能源损耗、降低生产成本。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
M2高速钢包括以下质量百分含量的元素组分：C0.85wt.％，Si0.30wt.％，Mn0.30wt.％，Cr4.05wt.％，W5.70wt.％，Mo4.70wt.％，V1.90wt.％，Nb0.02wt.％，La和Ce的总质量百分含量为0.015wt.％，余量的Fe和不可避免的杂质；
M2高速钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照上述M2高速钢的化学成分配备原料和准备相应的合金；
步骤2，将废钢原料经水平加料***加入公称容量为90吨的电弧炉，进行熔融，得到熔液；电弧炉采用炉门氧枪和炉壁多功能氧枪吹氧助熔，全程造泡沫渣、吹氧脱碳，低温脱磷，电弧炉出钢时留钢30吨，氧化渣不能进入钢包，出钢过程中加入钼铁合金、钒铁合金和高碳铬铁合金合金化和加入铝块脱氧，出钢末期加入石灰550kg；全过程吹氩控制，保证成分、温度的稳定；LF精炼前期喂铝线，加入精炼造渣剂，钢包底吹氩气，保证温度、成分的均匀性，促进气体及夹杂物上浮排除；初炼钢液经LF炉精炼，全过程采用铝粉、碳粉、电石进行扩散脱氧，埋弧操作，白渣时间为35min；VD真空脱气处理，动态控制真空度及氩气流量，避免溢渣；当真空度为不大于67Pa时提高氩气流量，保证脱气效果；极限真空时间为30min，真空后软吹氩时间为30min，促进夹杂物上浮；检测成分合格后，将钢液转移至弧形连铸工序，钢液出钢温度为1510℃；
步骤3，连铸中包烘烤(烘烤时间为5h，中包温度达到1450℃±5℃)；钢液经长水口进入连铸中包，根据实际成分，计算液相线温度TL＝1431℃；确定中包过热度30～45℃，钢液表面加中包覆盖剂；钢液通过浸入式水口进入连铸结晶器，结晶器液面采用专用保护渣，使连铸坯与结晶器内壁润滑效果增强，钢液在水冷结晶器中快速凝固形成坯壳；连铸机机型为弧形半径9m，四机四流立弯式连铸机，以1.20m/min的拉坯速率连续生产M2高速钢连铸坯；采用涡流检测液面，自动液位控制，使结晶器液面波动不大于±3mm；结晶器非正弦振动，频率为150次/min，振幅为4.0mm；结晶器电磁搅拌电流为300A，频率为4Hz，二冷电磁搅拌电流为350A，频率为7Hz；弧形连铸工序全程保护浇注，中间包采用整体式水口，大包采用长水口密封圈和吹氩保护；为获得足够的坯壳厚度，结晶器采用强冷，比水量为0.23L/kg；连铸二冷采用弱冷，比水量为0.15L/kg；控制二次冷却强度和拉坯速率来保证拉矫温度，细化铸态组织中的共晶碳化物尺寸和碳化物网宽度；M2高速钢连铸坯的截面尺寸为150mm×150mm；
步骤4，连铸坯按定尺6m切割；缓冷后送至退火炉中，退火温度为880℃，升温速度为30℃/h，保温6h后随炉冷却，冷却至500℃出炉。
对比例1
按照实施例1的方法制备M2高速钢，不同之处在于，将连铸的方式替换为模铸，M2高速钢(模铸坯断面尺寸：150mm×150mm)的化学成分为C0.86wt.％，Si0.30wt.％，Mn0.30wt.％，Cr4.05wt.％，W5.70wt.％，Mo4.70wt.％，V1.80wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。
按照GB/T14979-1994《钢的共晶碳化物不均匀度评定法》检测实施例1制备得到的连铸坯和对比例1制备得到的模铸坯边部、距中心3/4处、距中心1/2处、距中心1/4处、中心(芯部)的碳化物形貌，得到图1和图2所示，其中图1为实施例1制备得到的连铸坯不同厚度处碳化物形貌图，图2为对比例1制备得到的模铸坯不同厚度处碳化物形貌图。
对比图1和图2可以看出，M2高速钢连铸坯不同位置处的碳化物最大尺寸均小于M2高速钢模铸坯对应位置处的碳化物尺寸。由于本发明通过限定弧形连铸的拉坯速度、拉矫温度、二冷比水量等条件参数提高了连铸的冷却速度，使高含量的合金元素在凝固时来不及偏聚，减小了二次枝晶间距，有效地降低了析出的碳化物最大尺寸。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种细化M2高速钢铸态组织的方法，包括以下步骤：
按照M2高速钢的元素配比将原料混合进行熔炼，得到熔液；
将所述熔液依次进行合金化、LF精炼和VD脱气处理，得到钢液；
将所述钢液进行连铸，得到连铸坯；
将所述连铸坯进行连铸坯退火处理或将所述连铸坯依次进行热加工和成品材退火处理，得到所述M2高速钢。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述连铸的拉坯速度为0.4～1.2m/min。
3.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述连铸为弧形连铸，所述弧形连铸包括以下步骤：
将所述钢液经过连铸中包输送至连铸结晶器冷却后由弧形连铸机拉出。
4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述连铸结晶器为非正弦振动，所述非正弦振动的频率为80～180次/min，所述非正弦振动的振幅为3.0～6.0mm。
5.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述连铸结晶器采用强冷，所述强冷的比水量为0.10～0.50L/kg；
所述连铸的二冷采用弱冷，所述弱冷的比水量为0.10～0.18L/kg。
6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述二冷伴随正反转辊式电磁搅拌，所述正反转辊式电磁搅拌的正转时间为14～16s，所述正反转辊式电磁搅拌的反转时间为4～6s。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述连铸坯退火处理的温度为860～880℃，所述连铸坯退火处理的保温时间为4～8h。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述M2高速钢包括以下质量百分含量的元素组分：C0.80～0.90wt.％，Si0.15～0.40wt.％，Mn0.20～0.45wt.％，Cr3.80～4.40wt.％，W5.50～6.75wt.％，Mo4.50～5.50wt.％，V1.75～2.20wt.％，Nb0.01～0.03wt.％，La和Ce的总质量百分含量为0.005～0.05wt.％，余量的Fe和不可避免的杂质。
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