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M2Si系列高速鋼：M2Si-1、M2Si-2、M2Si-3、M2Si-4
1 引言
自1898年原始鎢高速鋼問世以來，為了滿足機械制造業不斷發展的需要，人們陸續開發出了不同類型及牌號的各種高速鋼，目前全世界高速鋼年產量已達30多萬噸。高速鋼按用途可分為低碳高速鋼、通用高速鋼、高碳高速鋼、超硬高速鋼四大類。
在新型高速鋼種的研制與開發中，焦點問題是解決高速鋼的硬度(包括高溫硬度)與其脆性之間的矛盾。與普通鋼材一樣，高速鋼的硬度也取決于含碳量，不同的是高速鋼中還需要加入Cr、W、Mo、V等合金元素。硬度的提高和加入合金元素均使高速鋼的脆性增大。因此，人們努力的主要目標之一就是在提高高速鋼硬度的同時設法降低其脆性。
目前，W-Mo系M2通用高速鋼的應用最為廣泛，除了成本因素外，主要原因是M2高速鋼的韌性優于W高速鋼。以M2為基礎已經發展了一系列高速鋼種，包括60-6-5-4-1低碳高速鋼、CM2高碳高速鋼、M2Al超硬高速鋼等。雖然該系列高速鋼已廣泛應用于生產，但仍存在許多不足之處。如60-6-5-4-1滲碳后的滲層組織不夠理想；M2的韌性有待進一步提高；CM2的硬度雖有提高，但強韌性明顯下降；M2Al熱處理時易脫碳及出現混晶，且脆性偏高。為克服上述高速鋼的缺陷，作者與哈爾濱鑫鐵冶金工業有限公司、石家莊河北科技股份有限公司合作研制開發了M2Si系列高速鋼。
Si是一種比Co便宜得多的廉價元素，已在結構鋼、彈簧鋼、H系列冷作模具鋼、基體鋼、低合金高速鋼中得到了廣泛應用。Si在高合金高速鋼中雖然也有應用，但只是作為輔助元素而非主要合金元素。含Si鋼超飽和滲碳時可在滲層形成細小且分布均勻的碳化物，據此我們開發了性能優于60-6-5-4-1的M2Si-1低碳高速鋼(即少無萊氏體高速鋼)。
Si能促使W-Mo及Mo高速鋼凝固時形成的對性能有害的M2C在再次加熱時分解為M6C及MC，從而可消除柱狀M2C，使碳化物細化，韌性提高。這一點對高碳M2特別重要，因為提高M2的含碳量將使M2C含量增多。此外，Si還能細化回火時析出的二次碳化物，使回火硬度提高。德國學者采用“降W、增Cr、提Si”的方法研制了可取代M2的5-5-5-2-Si高速鋼。據此我們開發了性能優于M2的M2Si-2通用高速鋼和性能優于CM2的M2Si-3高碳高速鋼。
Si能細化奧氏體晶粒，提高600℃紅硬性及低溫淬火硬度，添加1%Si即可替代添加2%Co。在此基礎上，我們開發了性能優于M2A1的M2Si-4超硬高速鋼。
需要指出，Si還可以改善高速鋼的切削性能和磨削性能。
2 M2Si系列高速鋼
M2Si系列高速鋼的熱處理工藝及主要用途列于表1。
表1 M2Si系列高速鋼熱處理工藝及主要用途
| 類型 | 鋼號 | 熱處理工藝 | 熱處理后硬度(HRC) | 主要用途 |
| 低碳型 | M2Si-1 | Q+T | 60±1 | 冷作模具 |
| C+Q+T | 表層67±1，芯部60±1 | 刀具 | ||
| 通用型 | M2Si-2 | Q+T | 65±1 | 刀具 |
| C+Q+T | 表層67±1，芯部65±1 | 刀具 | ||
| 高碳型 | M2Si-3 | Q+T | 66±1 | 刀具 |
| 超硬型 | M2Si-4 | Q+T | 67±1 | 刀具 |
| 注：Q———淬火，T———回火，C———超飽和滲碳 | ||||
M2Si-1高速鋼已有專文介紹。下面重點介紹M2Si-2、M2Si-3和M2Si-4高速鋼。
2.1 M2Si-2和M2Si-3高速鋼
1) 鑄態及鍛坯組織
M2Si-2、M2Si-3兩種高速鋼均用500kg中頻爐煉成，先鑄成電極棒，再經電渣重熔成?120電渣錠。由于?120電渣錠冷速快，再加上Si的作用，因此在M2Si-2鑄錠組織中無共晶碳化物生成；因M2Si-3含碳量高，故在鑄錠組織中有共晶碳化物生成，但奧氏體晶粒很小(邊緣為5級，中心為3級)，共晶碳化物也很細。?120電渣錠用750kg空氣錘鍛成40×40方坯，其碳化物偏析情況列于表2。
表2 M2Si-2、M2Si-3、M2、W9的碳化物不均勻級別比較
| 鋼號 | 電渣錠尺寸(mm) | 鋼坯尺寸(mm) | 碳化物不均勻級別 |
| M2Si-2 | ?120 | 40×40 | 1 |
| M2Si-3 | ?120 | 40×40 | 2 |
| M2 | ?120 | 40×40 | 3 |
| W9 | ?120 | 40×40 | 3 |
由表2可見，M2Si-3高碳高速鋼的碳化物不均勻級別低于M2和W9通用高速鋼。
2) 熱處理組織與性能
將40×40鋼坯熱軋成?120圓棒及?8盤元，再將?8盤元冷拔成各種規格的鋼絲。測定M2Si-3、W9及M2Al退火鋼坯的脫碳層，結果列于表3。
表3 M2Si-3、W9、M2Al脫碳層厚度及退火硬度比較
| 鋼號 | 鋼坯直徑或邊長 (mm) |
脫碳層厚度 (mm) |
退火硬度 (HB) |
| M2Si-3 | 35 | 0.40 | 256 |
| W9 | 40 | 0.49 | 239 |
| M2Al | 45 | 0.50 | 248 |
由表3可見，M2Si-3的脫碳較M2Al及W9輕，退火硬度與M2Al相近。
3) 淬回火后組織與性能
將?20圓棒加工成?18×8試樣，在鹽浴中加熱至不同溫度淬火。加熱時間按t=KV/F計算，K取60s/mm。淬火后在不同溫度回火，測定回火后硬度，并觀察淬火組織。表4為M2Si-2、M2Si-3淬回火后的硬度、奧氏體晶粒度及最大碳化物尺寸。
表4 M2Si-2、M2Si-3淬回火后硬度、奧氏體晶粒度及最大碳化物尺寸
| 鋼號 | 淬火 溫度 (℃) |
三次回火后硬度(HRC) | 奧氏 體晶 粒度 |
最大碳 化物尺寸 (μm) |
|||||||
| 未 回火 |
200℃ 回火 |
400℃ 回火 |
500℃ 回火 |
520℃ 回火 |
540℃ 回火 |
560℃ 回火 |
580℃ 回火 |
||||
| M2Si-2 | 1200 | 65.7 | 64.6 | 63.9 | 64.0 | 64.6 | 64.9 | 64.7 | 63.5 | 11.5 | <3 |
| 1220 | 65.5 | 64.8 | 64.1 | 64.4 | 64.4 | 65.1 | 65.0 | 63.9 | 11 | <3 | |
| 1240 | 64.9 | 64.0 | 63.6 | 64.5 | 65.3 | 65.4 | 65.2 | 64.5 | 10 | <3 | |
| 1260 | 64.6 | 63.5 | 63.2 | 64.5 | 65.3 | 65.6 | 65.5 | 64.3 | 9 | <3 | |
| M2Si-3 | 1200 | 66.2 | 64.8 | 65.1 | 66.6 | 66.7 | 67.0 | 66.3 | 64.2 | 12 | <4 |
| 1220 | 66.0 | 64.6 | 64.8 | 66.8 | 66.9 | 67.2 | 66.4 | 65.0 | 11.5 | <4 | |
| 1240 | 65.7 | 64.3 | 64.5 | 67.0 | 67.2 | 67.5 | 66.7 | 65.6 | 10.5 | <3 | |
| 1260 | 65.3 | 64.2 | 64.3 | 66.9 | 67.1 | 67.4 | 66.9 | 66.0 | 10 | <3 | |
由表4可見，M2Si-2及M2Si-3均宜采用1240℃淬火，550℃回火。M2Si-2淬回火后的硬度高于M2，M2Si-3淬回火后的硬度則高于CM2。
4) 抗彎強度、沖擊韌性與紅硬性
測定M2Si-2、M2Si-3、M2和M35的抗彎強度、沖擊韌性及紅硬性，所得結果列于表5(其中帶*號數據取自有關文獻)。
表5 抗彎強度、沖擊韌性及紅硬性比較
| 鋼號 | 淬回火后硬度 (HRC) |
sbb(MPa) | ak(J/cm2) | 600℃三次回火后硬度(HRC) |
| M2Si-2 | 65.2 | 4872 | 53 | 62.8 |
| M2Si-3 | 66.5 | 4636 | 45 | 64.4 |
| M2 | 65.0 | 3317 | 35* | 61.5* |
| M35 | 67.0 | 3623 | - | - |
| CM2 | 67.0* | 2800* | - | 64.3* |
由表2～5可見，由于提高了M2的Si含量，減輕了碳化物偏析，細化了碳化物，使淬火溫度范圍變寬，淬火奧氏體晶粒變細，強度升高，脆性下降，從而使M2Si-2的性能全面優于M2，M2Si-3的性能全面優于CM2。
2.2 M2Si-4高速鋼
研制M2Si-4的目的是開發一種比M2A1更優質、更廉價的超硬高速鋼。M2Si-4用中頻爐煉制，鑄成電極棒，經電渣重熔成?400及?170兩種電渣錠。?400錠用快鍛機開坯，鍛至?150后再用精鍛機鍛成?80圓棒，取樣檢查碳化物偏析；?170電渣錠用精鍛機開坯，鍛至80×80，退火后再用750kg錘鍛至40×40，取樣檢查碳化物偏析。另切取一段40×40鋼坯，用250kg小錘鍛成?20及13×13棒，加工成試樣作性能試驗。M2Si-4的鍛造性能與M2類似。
1) 碳化物偏析
碳化物偏析檢查結果列于表6(用于對比的M2Al及M2的部分數據取自其它文獻)。
表6 M2Si-4、M2Al、M2碳化物不均勻度比較
| 鋼號 | 規格(mm) | 檢查部位 | 不均勻度 | 最大碳化物尺寸(μm) |
| M2Si-4 | ?80 | 10mm表層 | 2～3 | 6 |
| ?80 | R/2 | 4～5 | 12 | |
| ?80 | 中心 | 4～5 | 12 | |
| M2Al | 40×40 | 1/4對角線 | 2 | 12 |
| M2 | 40×40 | 1/4對角線 | 2 | 12 |
由表6可見，?80圓棒R/2處的碳化物不均勻度符合標準要求。由于采用精鍛機鍛造，故表層碳化物不均勻度僅為2～3級，這對制造大尺寸刀具十分有利。40×40鋼坯的碳化物不均勻度達到2級，十分理想。淬火并高溫回火狀態下的最大碳化物尺寸與M2相同。
2) 淬回火后硬度、奧氏體晶粒度及最大碳化物尺寸
取?20圓棒加工成?18×8試樣，在鹽爐中加熱至不同溫度時淬火，加熱時間按t=KV/F計算，K取60s/mm。淬火后在不同溫度回火，觀察淬、回火后的組織結構，并測定淬回火硬度，結果列于表7。
表7 M2Si-4淬回火后硬度與組織
| 淬火溫 度(℃) |
三次回火后硬度(HRC) | 奧氏體 晶粒度 |
最大碳化物 尺寸(μm) |
||||
| 未回火 | 520℃ | 540℃ | 560℃ | 580℃ | |||
| 1160 | 66.4 | 66.4 | 66.5 | 67.3 | 67.1 | 11.5 | 10 |
| 1180 | 65.6 | 66.2 | 67.1 | 67.8 | 67.2 | 11 | 10 |
| 1200 | 65.4 | 66.3 | 67.5 | 68.0 | 67.3 | 11 | 8 |
| 1220 | 64.6 | 65.8 | 67.6 | 68.1 | 67.8 | 10.5 | 6 |
| 1240 | 64.3 | 65.3 | 66.6 | 68.5 | 67.2 | 10 | 6 |
觀察金相組織可知，M2Si-4淬火態的碳化物細小、均勻，故淬火范圍寬，奧氏體晶粒不易長大，無混晶，在1160℃淬火即可獲得67HRC以上硬度。但應注意，表7是對?20圓棒的測試結果，對于大直徑鋼棒，則應選用更高的淬火溫度。
3) 抗彎強度、沖擊韌性及紅硬性
測定M2Si-4的抗彎強度、沖擊韌性及紅硬性，結果列于表8、表9，并與其它文獻所載M2A1及M42的性能指標進行對比。由表8數據可見，M2Si-4的抗彎強度和沖擊韌性均優于M2A1及M42。由表9數據可見，M2Si-4在600℃時的紅硬性優于M2A1，與M42相當，但在更高溫度下，M2Si-4的紅硬性低于M42。
表8 M2Si-4、M2Al、M42的抗彎強度和沖擊韌性比較
| 鋼號 | 淬回火工藝 | 硬度(HRC) | sbb(MPa) | ak(J/cm2) |
| M2Si-4 | Q(1160℃)+T(560℃) | 67.3 | 4165 | 40 |
| (1220℃)+T(560℃) | 68.1 | 3720 | 41 | |
| M2Al | Q(1220℃)+T(550℃) | 68.1 | 3850 | 28 |
| M42 | Q(1180℃)+T(540℃) | 69.0 | 2700 | 17 |
表9 M2Si-4、M2Al、M42的紅硬性比較
| 鋼號 | 淬火溫度(℃) | 回火溫度(℃) | 600℃三次回火后硬度(HRC) |
| M2Si-4 | 1160 | 560 | 64.5 |
| 1180 | 560 | 66.0 | |
| 1200 | 560 | 66.2 | |
| 1220 | 560 | 66.5 | |
| 1240 | 560 | 67.1 | |
| M2A1 | 1220 | 550 | 65.8 |
| M42 | 1180 | 540 | 66.4 |
綜合表6～表8數據可知，由于Si能細化碳化物，改善碳化物分布，因此M2Si-4在熱處理時不會出現混晶，且各項性能均優于M2A1。鋼的性能不僅與鋼料成分有關，還與生產過程及熱處理工藝有關。表中所列M2Si-4的性能指標是用?170電渣錠鍛成?20及13×13鋼棒得出的。在實際應用中，碳化物不均勻度較嚴重的大截面鋼材的性能指標將低于表中數據。同樣，用于對比的M2A1、M42的性能指標也不一定代表其最佳性能，但表中所列數據仍能說明問題。
3 結論
根據上述分析可得出以下結論：
適當提高Si含量，可有效改善碳化物的大小及分布，從而使高速鋼性能全面提高。
調整碳含量可有效控制淬回火硬度。通過調整碳含量得到的M2Si-2高速鋼的性能優于M2高速鋼，M2Si-3高速鋼的性能優于CM2高速鋼，M2Si-4高速鋼的性能優于M2A1高速鋼。(end)
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