(撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧113001)

高合金工具鋼應用很廣泛，但使用的工況條件非?？量?，且要求有良好的等向性、淬硬性、淬透性、耐磨性和韌性[1]，所以通常高合金工具鋼含有較高的C、Cr、Mo、V等元素。由于C和合金元素含量較高，組織中會有嚴重的合金元素偏析、粗大的網狀碳化物和共晶萊氏體等缺陷[2]。共晶萊氏體即為共晶碳化物，共晶碳化物的不均勻分布會降低鋼材的等向性、可淬性、韌性等綜合性能。大量的合金碳化物是高合金工具鋼的重要組織特征和良好性能的重要保障，但同時合金碳化物在承載過程中容易開裂，引起材料韌性損傷甚至斷裂失效。如何控制碳化物斷裂，提高材料韌性，是生產高性能高合金工具鋼急需解決的技術難題。為了消除和改善這些缺陷，需要經過后續(xù)多次變向熱鍛或多步驟熱軋變形加工以及合理的熱處理，但成本也會大大提高[3]。工具鋼隨著合金化程度的提高及其組織的復雜化，其塑性水平進一步降低，一次熔煉的金屬合格率也相應降低[4]。于是產生了一些新的合金化更復雜的高合金工具鋼，鋼錠在其塑性變形之前需建立一種較為完善的熱加工方法，有必要研究如何改善其組織及可變形性。針對碳化物不均勻度評級問題，涉及碳化物的尺寸大小，碳化物帶的寬度，碳化物的聚集程度及碳化物網狀程度，研究優(yōu)化形變工藝，如何細化碳化物尺寸，如何打破碳化物網成為我們研究的主要方向。

1 研究鋼種及生產條件

1.1 生產條件

生產工藝為：60t電爐+LF+VD+模注鋼錠→鋼錠加熱+31.5MN壓機+18MN精鍛機+退火。

1.2 研究鋼種

研究鋼種為Cr12MoV，執(zhí)行GB/T1299—2014，其化學成分要求如表1所示。

表1 化學成分要求(質量分數，%)Table 1 Chemical compositions requirements (mass fraction, %)

2 生產工藝設計

方案1：冶煉時在LF爐實驗加入稀土鎂線，按噸鋼4 m加入，澆注4 t鋼錠，采用31.5 MN快鍛機開坯，18 MN精鍛機成材時采用打方工藝，生產?220 mm鋼棒。

方案2：冶煉時在LF爐實驗加入稀土鎂線，按噸鋼4 m加入，澆注4 t鋼錠，采用31.5 MN快鍛機開坯，18 MN精鍛機成材時采用變頻工藝，生產?220 mm鋼棒。

方案3(正常生產工藝)：60 t電爐+LF+VD+模注鋼錠→鋼錠加熱+31.5 MN快鍛機+18 MN精鍛機生產?220 mm鋼棒。

圖1 鑄態(tài)組織碳化物分布狀態(tài)Figure 1 Distribution status of carbine for casting microstructure

圖2 采用方案1生產的鋼材碳化物分布狀態(tài)Figure 2 Distribution status of carbine for steel produced by project 1

圖3 采用方案2生產的鋼材碳化物分布狀態(tài)Figure 3 Distribution status of carbine for steel produced by project 2

3 實驗數據收集

在?220 mm鋼棒取片分析碳化物不均勻度，由于冶煉時加入了稀土，所以對夾雜物進行觀察以便后續(xù)分析。

3.1 鋼錠鑄態(tài)組織觀察

分別在方案1及方案3的鑄態(tài)鋼錠上取樣觀察碳化物形貌。鑄態(tài)組織碳化物分布狀態(tài)如圖1所示。方案1及方案3生產鋼錠的鑄態(tài)碳化物分布無明顯差別。

3.2 方案1實驗結果

采用方案1生產的鋼材碳化物分布狀態(tài)如圖2所示。方案1鋼材從邊緣到中心碳化物均按條帶分布，顆粒較小，中心略有分叉。

3.3 方案2實驗結果

采用方案2生產的鋼材碳化物分布狀態(tài)如圖3所示。方案2鋼材邊緣碳化物完全條帶狀，半徑1/2處條帶有分叉，打破了網狀分布，中心碳化物仍為網狀分布。

3.4 方案3實驗結果

采用方案3生產的鋼材碳化物分布狀態(tài)如圖4所示。方案3鋼材邊緣碳化物完全條帶狀，半徑1/2處條帶有分叉，打破了網狀分布，中心碳化物仍為網狀分布且有大量堆積。

3.5 實驗鋼材夾雜物水平測定

按GB/T 10561中A法進行非金屬夾雜物觀察并評級，結果如表2所示。夾雜物照片如圖5所示，B類粗系1.5級，B類細系1.5級，D類粗系2.5級。夾雜物掃描電鏡照片如圖6所示。夾雜物掃描電鏡結果如表3所示。

在方案1所生產的鋼材上標定夾雜物較嚴重，通過掃描電鏡確定夾雜物成分與稀土鎂線成分相符。

圖4 采用方案3生產的鋼材碳化物分布狀態(tài)Figure 4 Distribution status of carbine for steel produced by project 3

圖5 夾雜物照片Figure 5 Inclusions pictures

ABCD細系粗系細系粗系細系粗系細系粗系001.51.5001.02.5

圖6 夾雜物掃描電鏡照片Figure 6 SEM pictures of inclusions

4 分析討論

高碳高鉻合金工具鋼共晶碳化物的存在是必然的，我們需要研究的是如何讓碳化物分布更為均勻。冶煉過程中采用稀土鎂線作為變質劑，其目的是抑制碳化物析出并使碳化物網的網線變窄；在徑向鍛造機上鍛造過程中，表層金屬發(fā)生了較強烈的流動，并在前端形成縮孔缺陷，毛坯單向翻轉會使金屬表層受到很大的附加切向位移和扭轉，與表層相比，毛坯的軸向區(qū)金屬變形不夠，為增加軸向變形在熱加工變形時采用變頻及打方工藝兩種方案，對比碳化物顆粒的大小及網狀的破碎程度，其依據為變形破碎，錘擊斷網[5]。在鍛造加熱時，對每個鋼種預先加熱到能保證殘余組分(包括共晶組分)局部熔化的一定溫度，同時，在保溫過程中，使這種組分發(fā)生球化，碳化物發(fā)生聚集[6]。在這樣保溫以及球化和聚集過程完成后，將爐溫降至該鋼的鍛造溫度，并保溫到鋼錠組織完全凝固。為了加速凝固，可以采用過冷方法進行冷卻，這種組織轉變過程對鋼錠和最終毛坯鑄態(tài)組織的塑性有好的影響[7]，但該加熱工藝執(zhí)行起來，要特別小心，否則很容易出現鋼錠過燒現象[8]。鋼錠的預先高溫保溫可與其在連續(xù)爐中的加熱聯合進行，或在另一單獨爐窯獨立進行，這取決于爐子設備及其性能是否具備條件。另外，高溫加熱保溫會出現鋼錠表面氧化皮增加[9]，因此，有可能化解表面部分缺陷，含有較粗大脆性共晶網狀組織的高碳高鉻型鋼的鋼錠的加熱制度是后續(xù)研究的方向。

表3 夾雜物掃描電鏡結果Table 3 SEM results of inclusions

共晶碳化物的形貌均包括纖維狀和片狀兩種，共晶碳化物形貌以彎曲纖維狀為主，碳化物棒條細小，彼此排列緊密，且兩種生產工藝對鑄態(tài)碳化物分布形貌無明顯影響，所以按噸鋼4 m加入稀土鎂線對碳化物分布無改善。

按方案1生產的鋼材邊緣碳化物分布較為均勻，顆粒較小，條帶分布不明顯，而且鋼材心部半徑1/2處碳化物分布也呈明顯的條帶狀，打破了網狀分布，鋼材心部的碳化物破碎明顯，無太明顯的堆積，也無明顯的網狀，只是在碳化物帶上存在明顯的分叉；按方案2生產的鋼材邊緣碳化物分布較為均勻，顆粒較小，有明顯的條帶分布，但是條帶較短，半徑1/2處碳化物分布也呈明顯的長條帶狀，而且碳化物帶上存在明顯的分叉，但打破了原來封閉的網狀分布，鋼材心部的碳化物有一定的破碎，也無太明顯的堆積，原網狀未被破壞，但網的間距有明顯的改善；按方案3生產的鋼材邊緣碳化物細小，呈條帶分布，半徑1/2處碳化物分布呈明顯網狀分布，鋼材心部的碳化物有一定的變形，也無太明顯的堆積，原網狀未被破壞。

加入稀土鎂線生產的鋼材按GB/T 10561中A法進行非金屬夾雜物評級，夾雜物水平為2.5級，并且夾雜物的化學成分與加入的稀土鎂線相符，而我廠正常生產工藝生產的水平為1.0級，所以加入稀土鎂線的鋼材夾雜物水平有所下降。很多資料介紹，在冶煉時加入稀土鎂線能夠改善鋼的塑性，夾雜物水平的降低可能與稀土鎂線的加入方式及加入量有很大的關系。

5 結論

冶煉過程中加入稀土鎂線能夠改善鋼的塑性，但對碳化物的分布方式及顆粒大小等均無明顯改善。如果為改善鋼錠的塑性可以加入稀土鎂線，但加入方式及加入量需進一步研究。鋼錠的鍛造工藝對碳化物的分布有著至關重要的影響，精鍛機的打方工藝能夠改善碳化物的網狀分布，有利于碳化物顆粒的破碎。精鍛機的變頻重壓工藝較傳統(tǒng)的生產工藝，碳化物分布有所改善，但仍然沒有打方工藝改善的好。