特殊钢生产工艺技术概述

特殊钢生产工艺技术概述内容摘要：

纵向和横向机械性能明显提高。 另一方面，锻造将偏析沿流动方向延伸形成带状组织，对韧性不利，当锻比超过一定数值后，横向机械性能（与金属流动方向垂直的方向）急剧下降，导致锻件出现各向异性。 因 而锻比过小过大都是不合适的。 锻比对韧性的影响是这两种因素作用的综合结果 [8]。 为了提高模具钢的等向性，一般都采用多向轧制及多向镦锻。 为了提高成材率、生产效率和钢材的尺寸精度，多采用高效率、高精度的快锻机、精锻机和精轧机。 奥地利 GFM 公司设计的 WF 型 CNC 控制的 3 或 5 机架平立可逆精轧机组，就是专门用来生产高精度尖角模具扁（方）钢的。 抚顺特殊钢有限公司成功地引进了 1 套 WF5－ 40 机组，已于 1995 年试车投产。 合金工具钢的质量和性能不仅受到成分、冶炼和加工等的影响，还与热处理密切相关。 选择合适的热处理 制度，并采用能够准确控制的先进热处理设备，对于充分发挥材料的潜能是不可缺少的。 如消除内应力退火，预硬化处理，固溶处理，调质处理，球化退火表面处理等。 广泛采用大型连续式可控气氛或保护气氛退火炉。 图 3为我国某特殊钢厂工（模）具钢生产工艺流程示意图。 图 3 我国某特殊钢厂工（模）具钢工艺流程示意图 4 高速工具钢生产 工艺技术 前言 高速工具钢也叫 “ 锋钢 ” ，是高碳高合金工具钢，钢中含碳量为 %～ ％，钢中含有能形成高硬度碳化物的合金元素，如钨、钼、铬、钒等，高速钢就是利用上述金属元素，一方面推迟马氏体分解，一方面产生二次硬化。 二者综合的结果，使高速钢具有良好的红硬性。 高速钢主要用于制造切削速度高、耐磨性好、且要在高温下能保持其切削性能的工具，如铣刀、刨刀、滚刀、拉刀、丝锥、铰刀等。 也可以用于制作冷作模具，还可制作高温轴承、高温弹簧。 高速钢是合金钢中生产量最少，品种规格繁多，生产技术难度 较大的钢种。 按主要合金元素不同分为钨系（如 W18Cr4V）、钼系（如 W2Mo9Cr4VCo8）和钨钼系（如 W6Mo5Cr4V3）；按用途分为通用型（ W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2）和超硬型（ W6Mo5Cr4V2 Co8）；按压力加工成型方法可分为锻材、轧材、冷拉材；按钢材外形区分为棒材、线材、扁钢、板带材；按交货状态分黑皮材和银亮材，在银亮材中又有剥皮、磨光及抛光之分。 高速工具钢棒技术条件（ GB9943－ 88）中，列出了 14 个钢的牌号。 性能 高速钢除要求高硬度、高耐磨性以外，还要 求高红硬性，即在高速切削条件下刀刃不会因发热而软化的性能。 这类钢在适当淬火回火热处理后的硬度，一般高于 HRC63，高的可达 HRC68~70，目前多把后者称为超硬型高速钢，并且在 600 ℃ 左右，仍然保持 HRC 63～65 的高硬度。 红硬性也叫赤热硬性或热稳定性，与钢的室温硬度或高温硬度都有一定的关系。 但在切削条件下，由于刀具反复受热和冷却，情况比较复杂，目前只是近似地用人为规定的指标来表示红硬性。 铸态的高速钢为莱氏体钢。 这类钢的铸态组织以粗大的共晶莱氏体网和黑色组织为主要特征。 这种共晶莱氏体的相组成物是 γ 和 M6C[Fe3W3C～ Fe4W2C， Fe3Mo3C～ Fe4Mo2C，Fe3（ W， Mo） 3C～Ｆ e4（ W1Mo） 2C 等 ]。 M6C 以鱼骨状的形态分布在奥氏体周围，鱼骨状碳化物骨络之间填充的是共晶 γ 相。 这种共晶莱氏体严重损害着高速钢的性能。 铸态组织中的黑色组织则是 δ 相的共析分解产物，其相组成物也是 γ 和 M6C。 但其组织特征是片状的珠光体型的，只是由于在低倍显微镜下不易分辨清楚其片层，呈黑色，故常称为黑色组织。 莱氏体中的共晶碳化物，在 1 300 ℃ 高温下也难溶于奥氏体中，因此无法通过热处理来改变其形态。 只有通过塑性 变形使其细化。 变形程度愈大，碳化物共晶体愈细化，分布愈均匀。 钢的纯洁度主要影响钢的塑韧性、焊接性和某些含铝高速钢的强韧性。 单一电弧炉冶炼的高速钢，氧含量一般在（ 40～ 60） 10 6，硫含量约 ％。 炉外精炼可将氧含量降到 2010 6，氮含量约 10010 6，硫含量在 %以下。 对其热塑性的提高和降低脆性倾向有益。 高速钢具有低塑性和高变形抗力；同时，由于组织中存在熔点较低的共晶偏析区，当加热到 1 250 ℃ 以上时，偏析区的晶粒长大，晶界熔化，极易产生过热、过烧现象；高速钢含碳量高，所以也易 脱碳；高速钢的宽展量较碳素钢大 倍；轧或锻后，空气中过快冷却，淬成马氏体组织，易产生裂纹（高速钢坯、材，热轧后必须进行缓冷）。 总之，高速钢含碳量高和含有大量的颗粒度不同、成分不同的合金碳化物，正是由于这些碳化物对高速钢的性能起了重要作用，但同时也给高速钢的生产带来了相当大的难度。 生产工艺 一般要求的通用型高速钢工艺流程为： 电炉 — 模铸（下注） — 退火或热送开坯锻造或初轧 — 退火 — 修磨 — 开二次坯或加工成材 — 成品退火 — 精整 — 包装 — 出厂。 要求较高质量的大断面高速钢工艺流程为： 电炉 — 浇注电极坯 — 退火 — 电渣重熔 — 退火 — 开坯 — 退火 — 修磨 — 退火 — 精整检查— 包装 — 入库。 棒 — 棒银亮材生产工艺流程为： 矫直 — 两端切齐倒棱 — 修磨 — 无芯磨床粗磨、精磨 — 抛光 — 精矫 — 防腐处理 — 包装 —入库。 线 — 棒银亮材生产工艺流程为： 盘条喷丸去鳞 — 开卷、矫直 — 冷拔 — 精矫 — 剪断 — 矫直、抛光 — 涡流探伤 — 精磨 — 防腐处理 — 包装 — 入库。 线 — 线银亮材生产工艺流程为： 盘卷酸洗或抛丸去鳞 ～ Φ10 mm — 冷拔 — 真空退火 — 冷拔 — 真空退火 — 直至成品— 涡流探伤 — 包装入库。 我国某特殊钢厂高速钢 生产工艺流程为： 30 t 电炉熔炼－注锭（或铸电极－退火－电渣重熔）－ 2 000 t 快锻机开坯（大圆）或 1 000 t 精锻机开坯（小圆）－退火－修磨－ 1 000 t 精锻机成材或轧制成材－退火－精整检查－包装－入库。 高速钢生产绝大多数都用电弧炉（ 15～ 30 t，带有电磁搅拌装置），模铸钢锭仍是各国普遍采用的。 电渣重熔对于大断面高速钢材不仅能改善钢的纯洁度，更重要的是保证大钢锭有较快的凝固速度，避免共晶碳化物粗化，使得大断面成材时，既能保证足够的锻压比，又能保证内部冶金质量，有的国家习惯于 Φ100 mm 以上用电渣重熔，有的则定为 Φ150 mm 以上。 为了使高速钢碳化物破碎更有效，控制变形量和变形温度，通常用快锻机与精锻机联合生产高质量要求的大断面材。 中小型材和钢丝生产已普遍采用高精度无扭连轧机。 棒材退火用保护气氛连续辊底式炉，可以得到组织均匀、硬度波动范围小、 不脱碳、氧化烧损小的效果。 盘圆退火用保护气氛或真空罩式炉（或井式炉），可以得到上述效果。 特殊钢厂对钢材精整十分重视，尤其是对高速钢，精整作业线的场地通常是成材轧制线的 1～ 倍。 高速钢材的精整线包括：初矫、喷丸、精矫、倒棱、剥皮、精矫、抛光、光谱分析、超声和涡流探伤、分检、测径、分析、自动打印、称重、自动打捆包装。 为解决铸锭中形成大块莱氏体共晶、碳化物分布不均匀的问题，采用粉末冶金方法提高高速钢的组织和性能。 炉外精炼装备逐步用于高速钢生产，主要用 LF（ V），也有 SKF 钢包炉。 国外有的厂可以用连铸生 产高速钢，但仅限于通用型钢种和小断面材。 世界先进的高速钢生产工艺流程如下。 1）通用型钢种、中小型材及钢丝生产流程：电炉（ UHP）－精炼炉 LF（ V）－连铸－退火－修磨－棒、线连轧： ① 棒材（＞ φ20 mm ）－保护气氛连续退火－精整剥皮－在线检测－成品包装（ φ20 ～ φ40 mm 光亮材）； ② 线材（ ～ φ20 mm ）－保护气氛或真空罩式退火－连续拉拔开卷或磨光、抛光－在线检测－成品包装（ φ5 ～ φ20 mm 冷拔材、光亮材）； ③ 线材（ mm ）－保护气氛或真空罩式退火－温拉或温轧－真空退火－矫直或磨光 －在线检测－成品包装（＜ φ5 mm 冷拔磨光钢丝）。 2）大断面材及高牌号钢材生产流程：电炉（ UHP）－精炼炉 LF（ V）－铸锭（或铸电极－电渣重熔）－退火－快锻或精锻开坯－退火、修磨－精锻成材－退火－精整－在线检测－成品包装。 5 轴承钢生产工艺技术 前言 轴承用钢的质量是所有合金钢中要求最严格、检验项目最多的钢种。 世界公认轴承钢的水平是一个国家冶金水平的标志。 轴承对其材料的要求较高，必须具备高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度、弹性极限，良好的冲击韧性、断裂韧性、尺寸稳定性、防锈性能和冷热加工等性 能。 为保证这些性能要求，轴承钢的冶金质量必须保证其严格的化学成分及化学成分均匀性，特别高的纯净度，极低的氧含量和残余元素含量，严格的低倍组织和高倍组织，严格的碳化物均匀性，严格的表面脱碳层和内部疏松、偏析、显微孔隙等，不允许存在裂纹、夹渣、毛刺、折迭、结疤、氧化皮、缩孔、气泡、白点和过烧等表面和内部缺陷。 我国特钢企业 2020 年轴承钢产量为 245 万 t。 性能 当前世界各国所使用的轴承钢主要有 5 大类 [9]，即高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢、中碳轴承钢。 1）高碳铬轴承钢。 高碳铬 轴承钢是含铬 %～ %的高碳合金钢，目前我国标准中采用 5 个牌号， GCr1 GCr GCr GCr9SiMn、 GCr15SiMn。 高碳铬轴承钢已有 100 多年的历史，长期的生产和使用证明，这种钢基本上可以满足一般工作条件的轴承要求，具有良好的耐磨性和抗接触疲劳性能，有较理想的耐锈蚀性和一定的弹性、韧性，加工性能较好，价格也较便宜，因此应用最广。 由于淬透性的差别，其中用量最大的是 GCr15 和 GCr15SiMn， GCr6 和 GCr9 已很少采用。 2）渗碳轴承钢。 渗碳轴承钢实质上是优质渗碳结构钢，目前我国标准中采用 6个牌号， G20CrMo、G20CrNiMo、 G20Cr2Ni G20CrNi2Mo、 G10CrNi3Mo、 G20Cr2Mn2Mo。 这类钢经过渗碳、淬火、回火等热处理工序后，表面具有很高的硬度和一定的耐磨性以及较高的抗接触疲劳强度，且其心部都具有良好的韧性、一定的强度和硬度。 主要用于承受冲击载荷下的轴承和特大型轴承，如铁路、轧钢机用轴承等。 3）不锈轴承钢。 有马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢，目前我国标准中采用 3 个牌号，9Cr1 9Cr18Mo、 Cr14Mo4。 其中以马氏体不锈钢 9Cr18 使用最多。 这类钢经过热处理可以得到全部或大部马氏体组织，具有高强度、很好的耐磨性和韧性，特别是在海水、酸、有机盐水溶液中具有较强的抗锈蚀能力。 这些轴承钢的缺点是碳含量高，碳与铬形成粗大的一次碳化物，降低材料的机械性能，减少铬元素对抗腐蚀的贡献。 1Cr18Ni9Ti 等奥氏体不锈钢，经热处理后可以得到单一的奥氏体组织，具有良好的韧性和很好的抗腐蚀能力。 但由于强度、硬度不高，只适用于制造低负荷、低转速轴承。 4）高温轴承钢。 高温轴承钢具有 一定的高温硬度和高温耐磨性。 高温接触疲劳强度、抗氧化、耐冲击、高温尺寸稳定性等特点。 此类钢利用高速钢和高铬马氏体不锈钢的一些钢号。 我国目前使用的高温轴承钢主要有： 9Cr18Mo（ 260 ℃ ）、 Cr4Mo4V（ 315 ℃ ）、 Cr14Mo4（ 480 ℃ ）、 W6Mo5Cr4V2（ 480 ℃ ）、 W9Cr4V2Mo（ 520 ℃ ）、 W18Cr4V（ 560 ℃ ）、 W12Cr4V5Co5（ 590 ℃ ），其中使用最普遍的是 Cr4Mo4V。 高碳铬轴承钢的回火温度是 160～ 180 ℃ ，所以使用温度一般不超过 120 ℃ ，如果使用温 度超过 120 ℃ ，钢的强度急剧下降，尺寸不稳定，并导致轴承的疲劳强度降低。 所以，只能用高温轴承钢而不能用高碳铬轴承钢，如飞机用涡轮喷气发动机的功率越来越大，压缩机和涡轮机的主轴轴承要求耐高温，其工作温度一般为 55～ 260 ℃ ，高者可达 370 ℃ ，在这种工作条件下，只能采用高温轴承钢。 5）中碳轴承钢。 中碳轴承钢是中碳合金钢，我国目前主要有： 5 50MnA、 70Mn、 5CrMnMo、60CrMnMoA、 55SiMoVA、 50SiMo，后两个钢号是我国开发的抗冲击轴承钢。 此钢类适用于制作掘进、起重、大型机 床等重型设备上用的特大尺寸轴承，一般转速不高，但承受较大的轴向、径向载荷及弯曲应力等。 生产工艺 钢的冶炼水平是轴承钢内在质量好坏的先决条件。 钢中的氧含量、成分偏析，夹杂物数量及分布，大颗粒碳化物的状况是影响轴承钢内在质量的重要冶金因素。 近年来，。