M2高速钢轧制过程防脱碳研究

M2高速钢轧制过程防脱碳研究孙健，于晋立(江苏科技大学张家港校区冶金与材料学院，江苏张家港215600)摘要：高速钢在轧制过程中的脱碳是天工国际目前存在的难题。本文以M2高速钢为试验对象，从采用涂层保护与改变退火炉中气氛两方面着手解决M2钢的脱碳问题，通过对比4组实验方案，确定防止M2钢脱碳的最佳方案。结果表明，其他工艺参数不变，采用轧制前涂刷涂料，后续退火时充满氮气的方案能明显减轻脱碳程度，此时脱碳层平均厚度为0.2mm，样品合格率为100%。关键词:M2高速钢；脱碳；涂层；充满氮气；脱碳层厚度中图分类号：TF124.8+5文献标识码：A文章编号：StudyonPreventingDecarburizationofM2highSpeedSteelDuringRollingSUNJian，YUJin-li(SchoolofMetallurgyandMaterialsScience,JiangsuofScienceandTechnologyUniversityatZhangjiagang,Jiangsu,Zhangjiagang,215600,China)Abstract:ThedecarburizationofhighspeedsteelduringrollinginTiangongInternationalisabigissuenow.ThethesisconductedexperimentonM2steeltosolveitsdecarburizationproblembyadoptingpaintprotectionandchangingatmosphereofannealfurnace.TheoptimalschemeofpreventiondecarburizationofM2steelwasdeterminedthroughcomparing4groupsofexperiments.Theresultsshowthat,whenothertechnicsconditionsremainunchanged,theschemeofbrushingpaintbeforerollingandsubsequentannealingfullofnitrogencanalleviatedecarburizationdegreeobviously,inwhichaveragethicknessofdecarburizationlayeris0.2mmandsamplepercentofpassis100%.Keywords:M2highspeedsteel;decarburization;paint;fullofnitrogen;thicknessofdecarburizationlayer高速钢具有良好的热硬性、耐磨性，用于轧辊、锯片、普通刀具等塑性加工工具，以及某些要求600℃以下的高温硬度与耐磨性的机械构件，如高温轴承，燃油泵的精密零件。高速钢在轧制前加热和轧制后热处理过程易产生脱碳现象，高速钢的脱碳将使表层的红硬性、耐磨性等机械性能降低，往往达不到要求的硬度，脱碳还使钢的疲劳强度显著降低，容易产生裂纹引起疲劳断裂。国内外很多专业人员研究了加热温度、加热时间、炉内气氛、钢的成分、变形率等对钢脱碳的影响，提出了减轻钢脱碳的措施[1-5]，但是这些方法成本较高。因此，本文针对天工国际M2高速钢轧制过程中脱碳严重的问题，保持加热温度、加热时间等工艺条件不变的情况下，从采用涂层保护与改变退火炉中气氛的角度制定出减轻甚至避免高速钢脱碳的方法。作者简介：孙健(1980-),男,江苏扬州人,讲师;E-mail:[e-mail]1实验材料及方案1.1实验材料原材料采用天工国际提供的高速钢坯料，将坯料轧制成Φ11mm的盘圆料，其成分如表1所示。涂料由粘结剂和基料组成，粘结剂包括NaOH、淀粉和水，基料包括水玻璃、火泥和水，涂料组成成分见表2。表1M2钢化学成分(质量分数，%)Table1ChemicalcompositionofsteelM2(wt%)元素CCrMnSiMoVWSP含量0.8-0.93.8-4.40.15-0.40.2-0.454.5-5.51.75-2.25.5-6.75≤0.03≤0.03表2涂料主要成分Table2Maincompositionofpaint成分水水玻璃火泥NaOH淀粉配比/kg26200.080.41.2实验设备天工国际生产车间轧制前的加热采用步进式明火加热炉，如图1所示。轧制后退火在井式退火炉中进行，如图2所示。图1步进式加热炉图2井式退火炉Fig.1WalkingbeamfurnaceFig.2Wellfurnaceannealfurnace1.3实验方法本次实验主要通过对比4组实验方案确定最佳防脱碳方案，为了减少误差，每组方案选取20根M2钢试样。具体实验方案见表3。首先将试样打印编号入炉加热、轧制、退火处理，然后切割、取样、打磨、抛光、腐蚀处理，最后采用显微组织法测量试样的脱碳层厚度。对于轧制前涂刷涂料的试样，将按照配比配置好的涂料涂刷于试样表面后自然风干(图3~4)。对于后续退火充氮的试样，放入充满氮气的退火炉中进行退火。表3对比实验方案Table3Experimentschemesforcomparing分组方案A轧制前无涂料，后续退火不充氮B轧制前有涂料，后续退火不充氮C轧制前无涂料，后续退火充氮D轧制前有涂料，后续退火充氮图3无涂料试样图4涂刷涂料的试样Fig.3SampleswithoutpaintFig.4Sampleswithpaint2实验结果与讨论2.1实验结果4组实验方案试样的横截面见图5~8。其中，A组方案下试样形成的总脱碳层深度最大，明显存在完全脱碳层区域且较厚。D组方案的总脱碳层深度最小，不存在完全脱碳层区域，只出现部分脱碳层。从图8b可以看出，经过D组方案处理的试样甚至没有产生脱碳层。B、C两组方案的总脱碳层深度介于A、D两组方案之间，同时存在完全脱碳层和部分脱碳层区域。参考GB/T9943-2008，钢棒表面的总脱碳层深度应符合表4要求[6]，从表4可以计算，对于本研究的M2钢而言，其脱碳层深度应≤0.54mm。不同实验方案下脱碳层的具体厚度和平均厚度分布变化如图9~10所示。可见，A组方案的脱碳层厚度平均值为0.63mm，超过深度允许值，有11个样品的深度0.54mm，最大值达到0.92mm，不符合产品要求。B组方案的脱碳层厚度平均值为0.31mm0.54mm，但是有2个样品厚度超标。C组方案的脱碳层厚度平均值为0.37mm0.54mm，但是有4个样品厚度超标。D组方案的脱碳层厚度平均值为0.2mm0.54mm，所测样品厚度全部达标。A组样品合格率为45%，B组样品合格率为90%，C组样品合格率为80%，D组样品合格率为100%。说明在加热温度、加热时间等参数不变时，采用涂层或者退火炉充氮都能减轻脱碳层厚度，前者的作用更明显，两种方法同时采用可明显减轻脱碳现象，轧制出高质量的M2钢。图5A方案试样横截面Fig.5SamplescrosssectionbyschemeA图6B方案试样横截面Fig.6SamplescrosssectionbyschemeB图7C方案试样横截面Fig.7SamplescrosssectionbyschemeC图8D方案试样横截面Fig.8SamplescrosssectionbyschemeD表4脱碳层深度允许范围Table4Permissiblerangeofdecarburizationlayerdepth分类脱碳层深度/mm，不大于钨系钨钼系热轧，锻制棒材，盘条0.30+1﹪D0.40+1.3﹪D冷拉1﹪D1.3﹪D银亮无无注：D为圆钢公称直径或为方钢公称边长051015200.00.20.40.60.81.0脱碳层厚度/mm编号ABCD图9不同方案脱碳层厚度变化Fig.9Variationofdecarburizationlayersthicknessbydifferentschemes0.630.310.370.2ABCD0.00.10.20.30.40.50.60.7脱碳层平均厚度/mm方案图10不同方案脱碳层平均厚度分布Fig.10Distributionofaveragethicknessesofdecarburizationlayersbydifferentschemes2.2分析讨论脱碳现象是加热过程中钢里面的碳元素与炉内混合气体(O2、H2O等)发生反应，使钢表面的碳元素反应消耗甚至完全消失，发生如下的脱碳反应[7]。2C+O2=2CO2C+O2=2CO22C+H2O=2CO+H2C+2H2=CH4采用涂层保护之后，M2钢的脱碳得到减轻。这是因为涂料中水玻璃在高温下硬化后形成了二氧化硅网状骨架，使其耐热度达到1000℃以上，此骨架与粘结剂形成的胶体具有较高的粘结力，使涂层在加热、轧制等过程中牢牢地附着在钢材表面，在高速钢的表面形成了一层稳定致密的保护膜，使钢基体与加热炉内气氛之间隔开，减少了钢与炉内混合气体的接触，从而减轻了脱碳现象。在退火过程中通入非氧化性气体，减缓了脱碳反应的发生。炉内氧化性气体减少，等价于气氛中碳势增加，使得钢材和气氛之间C的浓度梯度减小，降低了C从钢材向气氛中扩散的驱动力，减小了这种扩散趋势，导致脱碳的速率减小，宏观表现为脱碳层厚度减小[8]。因此，在充满氮气的退火炉中进行退火处理，可以有效减轻脱碳现象。3结论(1)其他工艺参数不变，采用涂层或者退火炉充氮都能减轻脱碳程度，前者的作用更明显，两种方法形成的脱碳层平均厚度分别为0.31mm和0.37mm，样品合格率分别为90%和80%。(2)其他工艺参数不变，采用轧制前涂刷涂料，后续退火时充满氮气的方案能明显减轻脱碳现象，此时脱碳层平均厚度为0.2mm，样品合格率为100%。本方案是减轻M2高速钢脱碳现象切实可行的一种措施。参考文献：[1]R.Mohammadzadeh,A.Akbari,M.Drouet.MicrostructureandwearpropertiesofAISIM2toolsteelonRFplasmanitridingatdifferentN2-H2gascompositions[J].Surface&CoatingsTechnology,2014,258:566-573.[2]张亚琦.SKS51钢脱碳及热处理研究[D].武汉:武汉科技大学,2012.[3]程向龙.加热气氛对重轨连铸坯氧化脱碳的影响[D].武汉:武汉科技大学,2009.[4]QUMinggui,WANGZhenhua,LIHui,etal.Effectsofmischmetaladditiononphasetransformationandas-castmicrostructurecharacteristicsofM2high-speedsteel[J].JournalofRareEarths,2013,31(6):628-633.[5]杨林.弹簧钢50CrV4的脱碳及热处理研究[D].武汉:武汉科技大学,2013.[6]杜文华.变形率、缓冷、退火工艺对M2高速钢(扁钢)脱碳影响的研究[D].天津:河北工业大学,2007.[7]潘一凡,孙松平.保护气氛热处理中的氧化脱碳[J].木材加工机械，2007,(1):4-6.[8]陈文辉.弹簧钢脱碳研究[D].北京:北京交通大学,2009.