一種高速鋼坯料的制備方法及設備技術

一種高速鋼坯料的制備方法及設備，首先將熔煉合格的高速鋼熔體（１）澆入控溫中間包（２）內，調節熔體溫度到合金液相線溫度以上１～５℃，然后將高速鋼熔體連續澆入已預熱的預結晶器（４）內，其預熱溫度為合金固相線溫度以下５～８０℃；同時開啟預結晶器的攪拌、震動及溫度調節裝置，促進預結晶器內壁上形成的奧氏體晶粒游離和游粒晶的球形化，以及控制熔體的冷卻速度和溫度梯度，抑制枝晶生長。到達預結晶器（４）下口的高速鋼固液混合物在重力或附加外力作用下流入終結晶器（５）內，被迅速冷卻凝固。然后由拉坯機構（１０）將高速鋼坯料（６）連續不斷地拉出，得到高速鋼坯料。該方法所產的鋼坯組織性能優良，而生產成本較低。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種高速鋼坯料的連續制備方法及設備，適用于各種截面形狀的高速鋼坯料的制備。
技術介紹
高速鋼是一種重要的工具鋼。現有技術中高速鋼坯主要是先鑄造成錠，再經過電渣重熔、鍛造或軋制形成一定截面的坯料。鋼錠尺寸越大，其內部的碳化物也越粗大，后續鍛軋加工需要的變形量越大，且越容易出現裂紋。而減小鋼錠尺寸，不僅生產率降低，而且難以保證必要的鍛軋變形量，使用性能不理想。所以，如何獲得含有均勻細小碳化物的坯料是高速鋼生產中的一個難題。現有技術中，生產高速鋼錠或坯料的方法有鑄造、噴射成形和粉末冶金三大類。鑄造方法生產高速鋼坯料的成本低，是應用最多、最早的方法，但由于其中碳含量和合金元素含量較高，鑄造法生產的高速鋼坯料的鑄態組織中含有粗大的碳化物，導致韌性和塑性都很差，在后續的鍛軋工序中容易出現裂紋缺陷。此外，經過鍛軋工序，碳化物雖然可以得到細化，但呈帶狀沿金屬流動方向分布，導致各向異性和熱處理扭曲變形。采用低溫澆注或增大冷卻速度或減小截面尺寸或填加變質劑等措施可以在一定程度上達到細化組織、改善碳化物形態和分布的作用，但效果仍不明顯。粉末冶金法在細化組織、改善碳化物方面作用顯著，但是，必須使用熱等靜壓技術才能成型具體的坯料，導致工藝成本比鑄造高速鋼高近十倍，實際應用受到了限制。噴射成形方法制備高速鋼錠或坯的工藝過程簡單，產品性能比鑄造高速鋼優越，最大坯料直徑可達500mm。但是，它需要在成形后進行熱加工消除其中的縮松，而且生產效率不高。
技術實現思路
為解決現有技術生產高速鋼坯存在的提高高速鋼坯料組織性能與降低生產成本二者不能兼顧的問題，本專利技術根據凝固理論、現代連鑄理論和合金流變學理論，同時利用低溫澆注、快速凝固、外力場和添加形核促進劑來直接制備高速鋼坯料；提供一種高速鋼坯料的連續或半連續制備方法及設備。本專利技術的技術方案是 一種高速鋼坯料的制備方法，包括如下步驟第一步，將熔煉合格的高速鋼熔體澆入一個具有溫度調節功能的中間包內進行溫度調節，使高速鋼熔體溫度保持在高于液相線溫度1～5℃之間。所說的將熔煉合格的高速鋼熔體首先澆入一個具有溫度調節功能的中間包內，目的在于對高速鋼熔體進行溫度調節、成分均勻化和排除雜質。所說的中間包內的高速鋼熔體保持在高于液相線溫度1～5℃的溫度，目的在于保證高速鋼熔體可順利進入預結晶器，并有利于形成細小的等軸初生奧氏體晶粒。第二步，將溫度已穩定在高于液相線溫度1～5℃的高速鋼熔體連續不斷地從中間包澆入已預熱的預結晶器內，以1～15℃/min的速度連續冷卻，同時對高速鋼熔體施加攪拌力場或振動力場0.5～5分鐘，形成含有10～60％固相的固液混合物，其預結晶器的預熱溫度為合金固相線溫度以下80℃至合金固相線溫度以下5℃之間。所說的以1～15℃/min的速度連續冷卻，是通過預結晶器的溫度調節裝置調節進行控制。溫度調節裝置同時具有冷卻和加熱的兩種功能，熔體冷速過大時，啟動加熱功能進行加熱，熔體冷速過小時，啟動冷卻功能進行冷卻。這一溫度調節裝置可以保證預結晶器內高速鋼熔體的水平溫度梯度小于2℃/cm，垂直溫度梯度小于5℃/cm。這種低的溫度梯度可以避免逐層凝固，防止奧氏體枝晶生長和形成粗大的共晶萊氏體，促進粒狀固相形成。所說的對高速鋼熔體施加的攪拌力場大小為103N/m3～4×105N/m3、頻率為50～2000次/分，震動力場的頻率為10～500次/分、幅度為1～5mm，其目的是使預結晶器內壁上形成的微小奧氏體晶粒不斷被剝落進入熔體內部，充當熔體內部的結晶核心，使固相體積分數的增加主要靠結晶核心的增多，而不是靠晶體的長大，從而促進預結晶器內的熔體以非枝晶方式凝固成細小奧氏體等軸晶。所說的將預結晶器預熱到合金固相線以下80℃至合金固相線溫度以下5℃，目的在于防止高速鋼熔體澆入預結晶器后溫度過低，在預結晶器內壁形成完整的凝固殼，破壞或減弱預結晶器的預結晶作用；或者在于防止溫度過高，合金熔體通過預結晶器后不能發生預結晶。第三步，上述形成的含有10～60％固相的固液混合物通過預結晶器的下口直接進入終結晶器內腔，以表面冷卻速度大于80℃/s的速度冷卻凝固，然后由拉坯機構連續不斷地拉出終結晶器，即得到本專利技術的一種高速鋼坯料。所說的含有10～60％固相的固液混合物，在金相顯微鏡下看到的固相形狀主要是顆粒狀和短條狀的晶體，也有不超過20％的薔薇花瓣狀的退化枝晶。所說的含有10～60％固相的固液混合物通過預結晶器的出口直接進入終結晶器內腔，目的在于節省該固液混合物運輸的裝置及時間，以減少能量損耗和初生晶粒的長大。所說的表面冷卻速度大于80℃/s，目的在于形成細小的共晶組織。所說的在終結晶器內凝固，可以是完全凝固成固態坯料，也可以是凝固成凝固厚度大于臨界厚度的不完全凝固坯料，其中臨界厚度是指能夠承受拉坯力而不發生拉斷或拉漏的最小厚度。一種高速鋼坯料的制備設備，包括控溫中間包、結晶器、拉坯機構。其中，結晶器包括預結晶器和終結晶器，終結晶器固定在支撐板上，預結晶器的內腔下口與終結晶器的內腔上口直接對接，并固定于終結晶器上，接口以耐火材料密封，另將預結晶器的震動器置于支撐板下方。所說的控溫中間包是采用現有連鑄技術中的可加熱中間包，其加熱方式可以是等離子、電磁感應及電弧加熱方式。控溫中間包置于中間包支架上，其澆口可以與預結晶器內腔上口直接對接，并用耐火材料密封；也可以將其澆口與預結晶器上口分離，采用浸入式水口，并進行保護澆注。所說的預結晶器是采用中國專利號為03153400.7，專利技術名稱為“一種鋼鐵材料半固態熔體的制備方法及裝置”的裝置，其震動器改為安裝在支撐板下方，其中支撐板置于圓形震動導柱上使其能沿導柱穩定進行震動，將預結晶器內腔下口與終結晶器上口直接對接，以耐火材料密封。所說的終結晶器是可以采用現有連鑄技術中的結晶器，其在200～400℃溫度下的導熱系數大于380W/m.K，其內腔的截面形狀與坯料的截面形狀一致，可以是圓形、矩形、方形或多邊形，同時終結晶器具有不斷供給潤滑油的功能，使拉坯過程不易出現拉漏或拉斷，供油壓力0.1～0.5Mpa，供油量5～50ml/min。所說的拉坯機構可以是現有技術中的各種拉坯機構。本專利技術提供的高速鋼坯料制備方法，具有如下優點(1)直接得到供軋制和鍛造使用的坯料，不需要開坯。現有技術中，鑄造高速鋼一般都是先制成鋼錠，經過開坯才能鍛軋成要求截面的坯料或產品毛坯。本專利技術不需鑄造鋼錠，可以直接得到要求截面的坯料。不同截面的坯料只需采用不同內腔截面形狀的終結晶器即可。(2)制備速度快。由于本專利技術采用連續或半連續方式進行制備，所以其制備速度比現有的間歇式鑄錠速度快得多，生產速度可以達到2m/min。(3)坯料內部組織均勻細小。由于預結晶器內高速鋼熔體內部溫度梯度最大只有2℃/cm，從預結晶器的內壁上剝離形成的游離晶在熔體內部的生長速度緩慢，加之外力場造成的對流作用使固相顆粒產生自旋運動，使奧氏體游離晶的枝晶生長特性得到有效遏止。所以，所得高速鋼熔體內初生相以近球形的細小粒狀晶為主，分布均勻。此外，由于終結晶器的快速冷卻作用，進入終結晶器內的高速鋼熔體內剩余的液相在較大過冷度下凝固，共晶凝固組織細小。得到的坯料組織均勻、細小、沒有明顯的宏觀偏析。共晶碳化物平均厚度小于15μm。(4)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高速鋼坯料的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：步驟１，將熔煉合格的高速鋼熔體澆入一個具有溫度調節功能的中間包內進行溫度調節，使高速鋼熔體溫度保持在高于液相線溫度１～５℃之間；步驟２，將溫度已穩定在高于液相線１～５℃的高速鋼熔體連續不斷地澆入已預熱的預結晶器內，以１～１５℃／ｍｉｎ的速度連續冷卻，同時對高速鋼熔體施加攪拌或振動力場０．５～５分鐘，形成含有１０～６０％固相的固液混合物，其預結晶器的預熱溫度為合金固相線以下８０℃至合金固相線溫度以下５℃之間；步驟３，上述形成的含有１０～６０％固相的固液混合物通過預結晶器的下口直接進入終結晶器內腔，以表面冷卻速度大于８０℃／ｓ的速度冷卻凝固，然后由拉坯機構連續不斷地拉出終結晶器，即得到了本專利技術的一種高速鋼坯料；。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：邢書明，戴安國，邢文斌，和優鋒，張勵忠，
申請(專利權)人：北京交通大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]