作者：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 （撫順特殊鋼股份有限公司，廣東雄峰特殊鋼有限公司）
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【摘要】研究了M35鍛制圓鋼的生產工藝及顯微組織， 通過采取多電極焊接后電渣重熔以及鍛錘鍛打成型， 可以生產出高質量的M35圓鋼， 通過對成品圓鋼的邊緣、 半徑1/2處及中心部位檢驗縱向共晶碳化物不均勻度及晶粒度， 說明該生產工藝對M35鍛制圓鋼顯微組織有明顯改善， 能夠滿足客戶對高速鋼刀具提高切削速度和加工質量、 延長刀具壽命的要求。
關鍵詞：鍛制圓鋼；多電極電渣重熔；鍛錘；共晶碳化物不均勻度；晶粒度
近年來， 隨著我國高端制造業的迅速發展， 現代機械技術朝著高速度、 高效率、 高精度的方向發展 [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?！案呔?、 高效率、 高可靠性和專用化” 的現代高效刀具取代傳統的標準刀具， 成為發達國家工具工業發展的主流 [2] 。據統計， 歐美市場高性能高速鋼的比例達到35%以上， 我國不到15%。國內各大特鋼企業均投入力量研發高性能高速鋼， 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。
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+鍛錘聯合成材→鋼材紅送退火。成品削皮狀態交貨， 規格 ? 100mm， 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? 90mm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 ? 360mm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鍛錘聯合鍛制成材， 2,000t快鍛開坯中間坯尺寸 ? 230mm， 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。
3.1 試驗材料
試驗用M35圓鋼的冶煉化學成分如表1所示。
試驗生產的M35成品 ? 100mm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 （C p =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。
3.2 顯微組織
在 ? 100mm規格的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?？v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? 91mm 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鋼相近規格的5級低1級；其橫向大顆粒碳化物比進口M35鋼相近規格的16μm低4μm。有研究表明， 凝固速度是影響高速鋼鑄態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 ? 200mm調整為 ? 90mm， 一定程度上改善了電極的鑄態組織。另外， 通過鍛錘的鍛打可以有效地破碎鑄態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?？梢钥吹?， 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?？刂圃?~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
（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。
