M35鍛制圓鋼生產工藝及組織研究

汝亞彬，楊天亮，曹麗紅，劉 宇，劉寶石，于宗洋，陳秀強，楊 松，許運松，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，隨著我國高端制造業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代機械技術朝著高速度、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。隨著人們對切削加工效率的追求和觀念的轉變，高性能高速鋼刀具大量的使用在自動化生產線上，并收到了提高切削速度和加工質量、使用可靠和延長刀具壽命的效果。“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)的標準刀具，成為發(fā)達國家工具工業(yè)發(fā)展的主流[2]。據統(tǒng)計，歐美市場高性能高速鋼的比例達到35%以上，我國不到15%。國內各大特鋼企業(yè)均投入力量研發(fā)高性能高速鋼，但質量水平與國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口。本文研究了一種特殊的電渣和鍛造工藝，對提高M35鍛制圓鋼質量水平效果明顯，為高性能高速鋼的國產化提供了技術儲備。

2 生產工藝

本文中M35鍛制圓鋼生產工藝流程為：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到5級，比國標≤6級提高1級，達到進口同規(guī)格鋼材水平。

為了保證M35鍛制圓鋼質量，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行電渣重熔，如圖1所示，電渣重熔過程合理控制熔速及進出水溫差，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℃，整個鍛制熱加工共計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，以及更加細小的晶粒分布。

3 試驗結果及討論

3.1 試驗材料

試驗用M35圓鋼的冶煉化學成分如表1所示。

表1 M35鋼的化學成分 wt%

試驗生產的M35成品φ100mm圓鋼，化學成分達到預期目標，根據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）計算，其碳飽和度為0.82。高速鋼的碳飽和度波動對使用性能和工藝性能都有明顯的影響，碳飽和度≥0.80時可以獲得更好的強韌性、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+電渣冶煉工藝生產的M35圓鋼中各類夾雜物粗系均為0級，硫化物細系為0.5級，氧化物細系為1.5級，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。縱向共晶碳化物不均勻度放大100倍并按GB/T14979-1994標準第二評級圖評級，邊緣3級、半徑1/2處4級，心部5級，如圖2所示。橫向大顆粒碳化物放大500倍按GB/T9943-2008標準檢驗，邊緣12μm、半徑1/2處12μm，心部16μm，如圖3所示。進口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，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

從顯微組織檢驗結果看，試驗鋼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，比GB/T9943-2008標準要求≤6級低2級，比進口M35鋼相近規(guī)格的5級低1級；其橫向大顆粒碳化物比進口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)組織中的網狀共晶碳化物，從而得到分布均勻的顯微組織。

圖4 進口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。可以看到，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℃回火后硬度值也達到65.6HRC，淬回火硬度峰值可以達到65HRC以上，能夠滿足材料使用要求。

圖5 M35鋼淬回火硬度曲線

淬火晶粒度對高速鋼強度、韌性和使用壽命均有很大影響，根據材料的使用特點高速鋼淬火晶粒度通常控制在9～12級之間。圖6為M35鋼在不同淬火溫度下的晶粒度，按JB/T9986《工具鋼熱處理進行檢驗》標準評級，1,170℃淬火晶粒度為10級，1,190℃淬火晶粒度為10級，1,210℃淬火晶粒度為9.5級。

圖6 M35鋼不同淬火溫度下的晶粒度

4 結論

（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，硫化物細系為0.5級，氧化物細系為1.5級，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，比GB/T9943-2008標準要求≤6級低2級，比進口M35鋼相近規(guī)格的5級低1級；其橫向大顆粒碳化物12μm，比進口M35鋼相近規(guī)格的16μm低4μm。

（4）通過淬回火試驗得到不同淬火溫度下的回火硬度，淬回火硬度峰值可以達到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，能夠達到10級或更細水平。