硅影响M2高速钢中碳化物形成和转变的研究

     在装备工业快速发展的今天，高速钢作为一种重要的工具材料，再次引起世界各国的关注，并作为前沿先进材料之一再次列入我国十二五科技发展规划中。通常情况下，高速钢在凝固过程中形成的网状共晶碳化物必须通过锻轧变形来破碎。多数情况下，变形需要多道次。而对一些大体积或大规格的产品进行变形是十分困难的，甚至是不可能的。即使对尺寸较小的产品，共晶碳化物的破碎效果有时也不能令人满意。已有资料表明硅对铸态组织中碳化物的类型有重要影响，且硅可能促进M2高速钢中M2C共晶碳化物在高温热处理时的分解。但这些研究是非常有限且零散的，所以弄清楚硅对通用型M2高速钢铸态组织中的碳化物以及高温热处理时M2C共晶碳化物分解过程的影响规律十分必要，从而使在小变形量时大尺寸产品中化合物的细化成为可能。因此，本课题的研究工作不仅具有较高的学术价值，还可以为实际生产中合理热处理工艺的制定提供理论依据，对于其它钢或者新钢种的开发也有一定的借鉴，具有较高的应用价值和重要意义。

    本文通过金相显微镜、扫描电子显微镜及能谱分析仪、X射线衍射分析仪、差热分析仪和Thermo-Calc软件计算等手段，系统研究了硅对M2高速钢铸态组织、热处理过程中共晶碳化物的分解及粗化和变形后的组织与性能的影响，结合热力学和动力学探讨了硅对碳化物形成和转变的影响机理。主要研究结果如下：添加硅会对铸态M2高速钢中共晶莱氏体和共析体产生重要影响。常规M2高速钢铸态组织中的共晶碳化物为富含钨和钼的片层状M2C。硅含量添加至0.8%时，共晶碳化物的类型和形貌没有明显变化。当硅含量为1.6%和2.4%时，共晶碳化物转变为“鱼骨”状M6C，片层状M2C碳化物完全消失。

    随着硅含量的增加，铸态组织中的共析体从无到有，且越来越发达，共析碳化物从片层状变为呈成簇的丝束状，外围有碳化物壳，主要为M6C碳化物。作为一种铁素体形成元素，硅的添加影响合金元素的分配系数和活度系数，从而更有利于M6C碳化物的形成。硅的添加扩大铁素体相区，增加了包晶反应后残余铁素体的量，从而在随后冷却中形成更多的共析体。添加硅促使高速钢中的M2C共晶碳化物在较低的温度或以更快的速度分解。在热处理过程中，片层状共晶碳化物M2C发生相变分解为细小的MC和M6C碳化物。随着保温温度的升高以及保温时间的延长，碳化物的分解越来越明显。

    M2高速钢在1100℃×4h、1150℃×2h和1200℃×30min的热处理中M2C碳化物完全分解，M2-0.8Si高速钢中的M2C碳化物分解完成的几种热处理工艺是1100℃×2h、1150℃×1h和1200℃×15min。硅的添加促进了相同热处理条件下钢中共晶碳化物M2C的分解，主要原因是增加分解产物的形核率。所述热处理条件下，硅的添加更利于碳化物的细化，M2-0.8Si钢中分解形成的颗粒状和条/“花生”状碳化物均比M2钢中的碳化物尺寸小。在1200℃以上的高温热处理过程中，共晶碳化物发生分解后形成的细小碳化物会发生聚集粗化，硅对高温处理过程中碳化物的粗化没有发现抑制作用。在1225℃保温15min时，M2和M2-0.8Si高速钢中的共晶碳化物分解，产物的尺寸分别约为0.63μm和0.65μm，比1200℃保温15min的碳化物颗粒大，和1200℃保温1h的相近。当保温时间超过30min，分解后的碳化物明显粗化，出现块状或角状碳化物，尺寸超过2μm。在1250℃的保温过程中，碳化物的粗化也很明显，成为块状或角状碳化物，尺寸可达7μm及以上，并出现一些由于局部重熔而形成新的MC共晶碳化物。

    总体而言，在1225℃以下进行热处理时，含硅高速钢中的分解产物尺寸并不比M2高速钢中分解产物的尺寸大。合适的分解温度应低于或等于1200℃。经锻造破碎后，M2-0.8Si高速钢锻坯中的碳化物比M2高速钢中的碳化物更加细小均匀，而M2-1.6Si和M2-2.4Si高速钢锻坯中由于“鱼骨”状共晶碳化物的破碎不完全仍有“鱼骨”状碳化物存在。M2-0.8Si高速钢锻前1165℃加热保温2.5h的锻坯获得较好的综合性能，其硬度为66.7HRC，抗弯强度达到3250MPa。经轧制后棒材中碳化物进一步破碎，但在硅含量为1.6%和2.4%的高速钢棒材中仍存在一些块状的碳化物，对性能不利。M2-0.8Si高速钢锻前1165℃加热保温2.5h经轧制的棒材的力学性能优于其它实验条件下的棒材，其获得较高综合性能的最佳热处理条件为：1180℃淬火540℃回火，其抗弯强度可达4183MPa，硬度为65.5HRC。片层状M2C碳化物的“相变细化”使得高速钢在锻造及轧制加工后棒材中的碳化物颗粒尺寸较小，而没发生相变的“鱼骨”状碳化物仅发生“机械碎化”，在后续加工中由于破碎不完全仍可能保留下来而对性能不利。可通过添加适量硅促进“相变细化”的程度，加之“机械碎化”来改善高速钢变形加工后产品中碳化物的分布和尺寸的减小。因此可实现对于变形量较小的大尺寸产品化合物的细化，降低生产加工成本，具有重要的应用价值。