1 引言

自1898年原始鎢高速鋼問世以來，為了滿足機械制造業(yè)不斷發(fā)展的需要，人們陸續(xù)開發(fā)出了不同類型及牌號的各種高速鋼，目前全世界高速鋼年產(chǎn)量已達30多萬噸。高速鋼按用途可分為低碳高速鋼、通用高速鋼、高碳高速鋼、超硬高速鋼四大類。

在新型高速鋼種的研制與開發(fā)中，焦點問題是解決高速鋼的硬度(包括高溫硬度)與其脆性之間的矛盾。與普通鋼材一樣，高速鋼的硬度也取決于含碳量，不同的是高速鋼中還需要加入Cr、W、Mo、V等合金元素。硬度的提高和加入合金元素均使高速鋼的脆性增大。因此，人們努力的主要目標之一就是在提高高速鋼硬度的同時設法降低其脆性。

目前，W-Mo系M2通用高速鋼的應用最為廣泛，除了成本因素外，主要原因是M2高速鋼的韌性優(yōu)于W高速鋼。以M2為基礎已經(jīng)發(fā)展了一系列高速鋼種，包括60-6-5-4-1低碳高速鋼、CM2高碳高速鋼、M2Al超硬高速鋼等。雖然該系列高速鋼已廣泛應用于生產(chǎn)，但仍存在許多不足之處。如60-6-5-4-1滲碳后的滲層組織不夠理想；M2的韌性有待進一步提高；CM2的硬度雖有提高，但強韌性明顯下降；M2Al熱處理時易脫碳及出現(xiàn)混晶，且脆性偏高。為克服上述高速鋼的缺陷，作者與哈爾濱鑫鐵冶金工業(yè)有限公司、石家莊河北科技股份有限公司合作研制開發(fā)了M2Si系列高速鋼。

Si是一種比Co便宜得多的廉價元素，已在結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、H系列冷作模具鋼、基體鋼、低合金高速鋼中得到了廣泛應用。Si在高合金高速鋼中雖然也有應用，但只是作為輔助元素而非主要合金元素。含Si鋼超飽和滲碳時可在滲層形成細小且分布均勻的碳化物，據(jù)此我們開發(fā)了性能優(yōu)于60-6-5-4-1的M2Si-1低碳高速鋼(即少無萊氏體高速鋼)。

Si能促使W-Mo及Mo高速鋼凝固時形成的對性能有害的M2C在再次加熱時分解為M6C及MC，從而可消除柱狀M2C，使碳化物細化，韌性提高。這一點對高碳M2特別重要，因為提高M2的含碳量將使M2C含量增多。此外，Si還能細化回火時析出的二次碳化物，使回火硬度提高。德國學者采用“降W、增Cr、提Si”的方法研制了可取代M2的5-5-5-2-Si高速鋼。據(jù)此我們開發(fā)了性能優(yōu)于M2的M2Si-2通用高速鋼和性能優(yōu)于CM2的M2Si-3高碳高速鋼。

Si能細化奧氏體晶粒，提高600℃紅硬性及低溫淬火硬度，添加1%Si即可替代添加2%Co。在此基礎上，我們開發(fā)了性能優(yōu)于M2A1的M2Si-4超硬高速鋼。

需要指出，Si還可以改善高速鋼的切削性能和磨削性能。

2 M2Si系列高速鋼

M2Si系列高速鋼的熱處理工藝及主要用途列于表1。

表1 M2Si系列高速鋼熱處理工藝及主要用途

類型鋼號熱處理工藝熱處理后硬度(HRC)主要用途低碳型M2Si-1Q+T60±1冷作模具C+Q+T表層67±1，芯部60±1刀具通用型M2Si-2Q+T65±1刀具C+Q+T表層67±1，芯部65±1刀具高碳型M2Si-3Q+T66±1刀具超硬型M2Si-4Q+T67±1刀具注：Q———淬火，T———回火，C———超飽和滲碳#p#分頁標題#e#

M2Si-1高速鋼已有專文介紹。下面重點介紹M2Si-2、M2Si-3和M2Si-4高速鋼。

2.1 M2Si-2和M2Si-3高速鋼

1) 鑄態(tài)及鍛坯組織

M2Si-2、M2Si-3兩種高速鋼均用500kg中頻爐煉成，先鑄成電極棒，再經(jīng)電渣重熔成Ø120電渣錠。由于Ø120電渣錠冷速快，再加上Si的作用，因此在M2Si-2鑄錠組織中無共晶碳化物生成；因M2Si-3含碳量高，故在鑄錠組織中有共晶碳化物生成，但奧氏體晶粒很小(邊緣為5級，中心為3級)，共晶碳化物也很細。Ø120電渣錠用750kg空氣錘鍛成40×40方坯，其碳化物偏析情況列于表2。

表2 M2Si-2、M2Si-3、M2、W9的碳化物不均勻級別比較

鋼號電渣錠尺寸(mm)鋼坯尺寸(mm)碳化物不均勻級別M2Si-2Ø12040×401M2Si-3Ø12040×402M2Ø12040×403W9Ø12040×403

由表2可見，M2Si-3高碳高速鋼的碳化物不均勻級別低于M2和W9通用高速鋼。

2) 熱處理組織與性能

將40×40鋼坯熱軋成Ø120圓棒及Ø8盤元，再將Ø8盤元冷拔成各種規(guī)格的鋼絲。測定M2Si-3、W9及M2Al退火鋼坯的脫碳層，結(jié)果列于表3。

表3 M2Si-3、W9、M2Al脫碳層厚度及退火硬度比較

鋼號鋼坯直徑或邊長
(mm)脫碳層厚度
(mm)退火硬度
(HB)M2Si-3350.40256W9400.49239M2Al450.50248

由表3可見，M2Si-3的脫碳較M2Al及W9輕，退火硬度與M2Al相近。

3) 淬回火后組織與性能

將Ø20圓棒加工成Ø18×8試樣，在鹽浴中加熱至不同溫度淬火。加熱時間按t=KV/F計算，K取60s/mm。淬火后在不同溫度回火，測定回火后硬度，并觀察淬火組織。表4為M2Si-2、M2Si-3淬回火后的硬度、奧氏體晶粒度及最大碳化物尺寸。

表4 M2Si-2、M2Si-3淬回火后硬度、奧氏體晶粒度及最大碳化物尺寸

鋼號淬火
溫度
(℃)三次回火后硬度(HRC)奧氏
體晶
粒度最大碳
化物尺寸
(µm)未
回火200℃
回火400℃
回火500℃
回火520℃
回火540℃
回火560℃
回火580℃
回火M2Si-2120065.764.663.964.064.664.964.763.511.5<3#p#分頁標題#e#122065.564.864.164.464.465.165.063.911<3124064.964.063.664.565.365.465.264.510<3126064.663.563.264.565.365.665.564.39<3 M2Si-3120066.264.865.166.666.767.066.364.212<4122066.064.664.866.866.967.266.465.011.5<4124065.764.364.567.067.267.566.765.610.5<3126065.364.264.366.967.167.466.966.010<3

由表4可見，M2Si-2及M2Si-3均宜采用1240℃淬火，550℃回火。M2Si-2淬回火后的硬度高于M2，M2Si-3淬回火后的硬度則高于CM2。

4) 抗彎強度、沖擊韌性與紅硬性

測定M2Si-2、M2Si-3、M2和M35的抗彎強度、沖擊韌性及紅硬性，所得結(jié)果列于表5(其中帶*號數(shù)據(jù)取自有關文獻)。

表5 抗彎強度、沖擊韌性及紅硬性比較

鋼號淬回火后硬度
(HRC)s_bb(MPa)a_k(J/cm²)600℃三次回火后硬度(HRC)M2Si-265.248725362.8M2Si-366.546364564.4M265.0331735*61.5*M3567.03623--CM267.0*2800*-64.3*#p#分頁標題#e#

由表2～5可見，由于提高了M2的Si含量，減輕了碳化物偏析，細化了碳化物，使淬火溫度范圍變寬，淬火奧氏體晶粒變細，強度升高，脆性下降，從而使M2Si-2的性能全面優(yōu)于M2，M2Si-3的性能全面優(yōu)于CM2。

2.2 M2Si-4高速鋼

研制M2Si-4的目的是開發(fā)一種比M2A1更優(yōu)質(zhì)、更廉價的超硬高速鋼。M2Si-4用中頻爐煉制，鑄成電極棒，經(jīng)電渣重熔成Ø400及Ø170兩種電渣錠。Ø400錠用快鍛機開坯，鍛至Ø150后再用精鍛機鍛成Ø80圓棒，取樣檢查碳化物偏析；Ø170電渣錠用精鍛機開坯，鍛至80×80，退火后再用750kg錘鍛至40×40，取樣檢查碳化物偏析。另切取一段40×40鋼坯，用250kg小錘鍛成Ø20及13×13棒，加工成試樣作性能試驗。M2Si-4的鍛造性能與M2類似。

1) 碳化物偏析

碳化物偏析檢查結(jié)果列于表6(用于對比的M2Al及M2的部分數(shù)據(jù)取自其它文獻)。

表6 M2Si-4、M2Al、M2碳化物不均勻度比較

鋼號規(guī)格(mm)檢查部位不均勻度最大碳化物尺寸(µm)M2Si-4Ø8010mm表層2～36Ø80R/24～512Ø80中心4～512M2Al40×401/4對角線212M240×401/4對角線212

由表6可見，Ø80圓棒R/2處的碳化物不均勻度符合標準要求。由于采用精鍛機鍛造，故表層碳化物不均勻度僅為2～3級，這對制造大尺寸刀具十分有利。40×40鋼坯的碳化物不均勻度達到2級，十分理想。淬火并高溫回火狀態(tài)下的最大碳化物尺寸與M2相同。

2) 淬回火后硬度、奧氏體晶粒度及最大碳化物尺寸

取Ø20圓棒加工成Ø18×8試樣，在鹽爐中加熱至不同溫度時淬火，加熱時間按t=KV/F計算，K取60s/mm。淬火后在不同溫度回火，觀察淬、回火后的組織結(jié)構(gòu)，并測定淬回火硬度，結(jié)果列于表7。

表7 M2Si-4淬回火后硬度與組織

淬火溫
度(℃)三次回火后硬度(HRC)奧氏體
晶粒度最大碳化物
尺寸(µm)未回火520℃540℃560℃580℃116066.466.466.567.367.111.510118065.666.267.167.867.21110120065.466.367.568.067.3118122064.665.867.668.167.810.56124064.365.366.668.567.2106#p#分頁標題#e#

觀察金相組織可知，M2Si-4淬火態(tài)的碳化物細小、均勻，故淬火范圍寬，奧氏體晶粒不易長大，無混晶，在1160℃淬火即可獲得67HRC以上硬度。但應注意，表7是對Ø20圓棒的測試結(jié)果，對于大直徑鋼棒，則應選用更高的淬火溫度。

3) 抗彎強度、沖擊韌性及紅硬性

測定M2Si-4的抗彎強度、沖擊韌性及紅硬性，結(jié)果列于表8、表9，并與其它文獻所載M2A1及M42的性能指標進行對比。由表8數(shù)據(jù)可見，M2Si-4的抗彎強度和沖擊韌性均優(yōu)于M2A1及M42。由表9數(shù)據(jù)可見，M2Si-4在600℃時的紅硬性優(yōu)于M2A1，與M42相當，但在更高溫度下，M2Si-4的紅硬性低于M42。

表8 M2Si-4、M2Al、M42的抗彎強度和沖擊韌性比較

鋼號淬回火工藝硬度(HRC)s_bb(MPa)a_k(J/cm²)M2Si-4Q(1160℃)+T(560℃)67.3416540(1220℃)+T(560℃)68.1372041M2AlQ(1220℃)+T(550℃)68.1385028M42Q(1180℃)+T(540℃)69.0270017
表9 M2Si-4、M2Al、M42的紅硬性比較
鋼號淬火溫度(℃)回火溫度(℃)600℃三次回火后硬度(HRC)M2Si-4116056064.5118056066.0120056066.2122056066.5124056067.1M2A1122055065.8M42118054066.4

綜合表6～表8數(shù)據(jù)可知，由于Si能細化碳化物，改善碳化物分布，因此M2Si-4在熱處理時不會出現(xiàn)混晶，且各項性能均優(yōu)于M2A1。鋼的性能不僅與鋼料成分有關，還與生產(chǎn)過程及熱處理工藝有關。表中所列M2Si-4的性能指標是用Ø170電渣錠鍛成Ø20及13×13鋼棒得出的。在實際應用中，碳化物不均勻度較嚴重的大截面鋼材的性能指標將低于表中數(shù)據(jù)。同樣，用于對比的M2A1、M42的性能指標也不一定代表其最佳性能，但表中所列數(shù)據(jù)仍能說明問題。

3 結(jié)論

根據(jù)上述分析可得出以下結(jié)論：

適當提高Si含量，可有效改善碳化物的大小及分布，從而使高速鋼性能全面提高。

調(diào)整碳含量可有效控制淬回火硬度。通過調(diào)整碳含量得到的M2Si-2高速鋼的性能優(yōu)于M2高速鋼，M2Si-3高速鋼的性能優(yōu)于CM2高速鋼，M2Si-4高速鋼的性能優(yōu)于M2A1高速鋼。#p#分頁標題#e#