电渣重熔M2高速钢共晶碳化物控制研究

zhangcb

高速钢由于高硬度、良好的耐磨性及红硬性被广泛应用于制造切削刀具。其主要合金元素W、Mo、Cr和V等都是强碳化物形成元素，大量共晶碳化物的存在是高速钢组织的主要特征，碳化物的形态、类型、数量、尺寸是影响其硬度、耐磨性、韧性等性能的关键因素。

电渣重熔集精炼、凝固于一体，可以提高金属纯净度，控制凝固质量。熔池深度、熔化速度与局部凝固时间是电渣重熔高速钢凝固质量控制的主要障碍，熔池深度对结晶方向和凝固速度有重要影响，在电渣重熔时熔池深度要小而平浅。提高电渣重熔高速钢的冷却速率，减少凝固时间是改善共晶碳化物形态及分布的有效途径。本研究的目的在于通过改进电渣重熔工艺参数，有效控制M2高速钢凝固过程中共晶碳化物形态与分布，使层片状共晶碳化物变为离异分布的棒状、颗粒状，为改善高速钢性能提供良好的铸态组织。
本实验使用M2高速钢，电极棒尺寸为Φ90mm，主要成分如表1所示。采用两种电渣重熔工艺，一是普通结晶器置地式电渣重熔炉，结晶器直径Φ160mm，平均熔速6mm/min，平均熔池深度保持120mm。另一种是抽锭式电渣重熔炉，本实验电渣重熔工艺参数的选取根据电渣重熔过程中熔池深度H、铸锭直径D和熔速Vz参数拟合的二元非线性方程得到试验中平均熔池深度保持在50mm，抽锭工艺的电渣锭直接进行水冷，加快冷却速度。分别将得到的铸态电渣锭进行退火处理，防止开裂。

表1  M2高速钢化学成分（质量分数）   %

C	Si	W	Mo	Cr	V	Mn	P	S	Fe
0.87	0.31	5.92	4.72	4.09	2.05	0.29	0.024	0.005	余量

研究了熔池深度与局部凝固时间等参数对高速钢铸锭共晶碳化物形貌和类型的影响。用D\max-2550型X射线衍射仪对萃取的碳化物粉末进行慢扫，分析碳化物类型变化。JSM-6700F型扫描电镜观察碳化物形貌变化，EDS能谱分析碳化物及基体合金元素变化。
结果表明：电渣重熔工艺不仅改变碳化物类型，两种工艺制备的M2铸锭都存在M6C、MC、M2C三种类型的碳化物。抽锭式电渣重熔工艺通过有效控制电渣锭直径（D=120mm）、熔速（11mm/min）及熔池深度（h=50mm），减少局部凝固时间，促进平直层片状共晶碳化物转变为离异棒状、粒状碳化物，碳化物平均晶粒尺寸小于50μm。加快冷却速度会降低组织中共晶碳化物的质量分数，同时也会降低共晶碳化物中强碳化物形成元素如W、Mo、V的含量，使更多碳化物及合金溶于基体中。