提高模具碳板切割的等向性能A碳板切割的高纯化冶炼工艺及降低碳板切割中硫含量碳板切割的纯净对碳板切割材的等向性能有很大的影响。为此,国际上各工业发达国家在模具碳板切割生产中广泛采用二次精炼工艺,其中,主要有真空炉外精炼(VHD),电渣重熔和碳板切割包喷粉、喂丝等。a电渣重溶
电渣重熔可以大量去除碳板切割中的非金属夹杂物,有效地提高碳板切割的纯洁度,碳板切割中的枝晶间距小,结晶结构好,组织均匀、致密,碳化物细小、均匀、质量好。表1-37列出了电弧炉冶炼和电渣重熔对4Cr5MoSiVl热作模具碳板切割非金属夹杂物级别的影响。显然,通过电渣重熔,碳板切割材的氧化物和硫化物的平均级别比电弧炉碳板切割材低;而且夹杂物的颗粒较细小,分布较均勻。经过电渣重熔,可以改善碳板切割的横向塑性和冲击韧性,从而提高碳板切割的等向性能,表1-38是4Cr5MoSiVl电渣重熔碳板切割与电弧炉碳板切割纵向和横向室温拉力与冲击韧性的对比结果。
表1-374Cr5MoSiVl电渣碳板切割与电弧炉碳板切割非金属夹杂物的检验结果
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氧化物/级 |
硫化物/级 |
冶炼工艺 |
规格
(彡)/mm |
检验
炉数 |
锭上部 |
锭下部 |
锭上部 |
锭下部 |
|
|
|
最大 |
平均 |
最大 |
平均 |
最大 |
平均 |
最大 |
平均 |
电弧炉+电渣重熔 |
85〜200 |
11 |
1.5 |
1.04 |
1.5 |
0.91 |
1.0 |
0.68 |
1.5 |
0.73 |
电弧炉 |
40〜220 |
9 |
2.9 |
|
|
1.44 |
1.0 |
|
|
0.78 |
表1-384Cr5MoSiVl电渣碳板切割与电弧炉碳板切割纵、横向室温拉伸与冲击韧性值
冶炼工艺 |
锻造比 |
检测方向 |
<rb/MPa |
<ys/MPa |
S/% |
iJj/% |
|
|
|
横向 |
1682 |
1583 |
10.4 |
42.3 |
38.6 |
电弧炉+电渣重熔 |
8.50 |
纵向 |
1677 |
1567 |
12.9 |
53.4 |
59.2 |
|
K—横向
K一纵向 |
1.00 |
1.01 |
0.806 |
0.792 |
0.652 |
续表1-38
冶炼工艺 |
锻造比 |
检测方向 |
(Tb/MPa |
ffs/MPa |
d/% |
中/% |
|
|
|
横向 |
1713 |
1601 |
6.2 |
23.10 |
16.5 |
电弧炉 |
8.50 |
纵向 |
1750 |
1603 |
12.5 |
49.0 |
52.5 |
|
|
尺一纵向 |
0.979 |
0.999 |
0.496 |
0.471 |
0.314 |
b真空炉外精炼
电渣重熔、VHD和碳板切割包喷粉等3种工艺均能降低碳板切割中氧化物夹杂含量,而其中以真空炉外精炼最为有效。表1-39是利用电解萃取法对4Cr5MoSiVl碳板切割经VHD精炼和仅用电弧炉冶炼的氧化物分析结果,显然,经VHD处理后的4Cr5MoSiVl碳板切割中氧化物总量显著下降。另外,统计检测夹杂物尺寸结果表明,经VHD处理的碳板切割夹杂物的平均尺寸明显减小,而且还使碳板切割中的氧化物夹杂转变为氧硫复合型夹杂物,该种复合型夹杂物的形状趋于球形,从而提高了碳板切割材的等向性能。
表1-39电解法测定用不同冶炼工艺生产的4Cr5MoSiVl碳板切割氧化物的含量w/%
氧化物种类 |
电弧炉 |
电弧炉+VHD精炼 |
氧化物总量 |
0.0084 |
0.0046 |
SiOz |
0.0010 |
0.0010 |
MnO |
痕 |
痕 |
FeO |
0.0001 |
痕 |
CrzO |
痕 |
痕 |
CaO |
无 |
无 |
AI2O3 |
0.0050 |
0.0028 |
MgO |
0.0012 |
0.0003 |
c碳板切割包喷粉
碳板切割包喷粉是炉外精炼的方法之一,其特点是将粉状精炼剂通过浸入式喷枪,穿过渣层由载气(Ar气)直接喷人碳板切割包的熔池纵深处,对碳板切割水进行气-粉混合吹炼、洗涤、净化。喷粉工艺能在较短时间内获得较高的脱硫效果。由图1-16看出,硫从熔池中转移到炉渣中,常规的电弧炉冶炼需要40〜60min,而采用碳板切割包喷粉技术只用几分钟就可以将碳板切割中硫降低到0.005%以下。4Cr5MoSiVl碳板切割经碳板切割包喷
粉后,其硫化物类型夹杂仅是电弧炉碳板切割的1/8。由电弧炉冶炼和电弧炉冶炼加碳板切割包喷粉的4Cr5MoSiVl碳板切割的夹杂物含量列于表1-40。由表1-40可见,用电弧炉冶炼碳板切割的夹杂物总含量比喷粉碳板切割高7.5倍,从氧化物夹杂物类型看,电弧炉碳板切割以Al203为主(占70%),Si02其次;而喷粉碳板切割以SiOz夹杂为主,含量与电弧炉碳板切割相当,但氧化铝夹杂比电弧炉碳板切割成数量级下降,其他氧化物类型夹杂也比电弧炉碳板切割低。总之,4Cr5MoSiVl碳板切割经碳板切割包喷粉处理后,碳板切割中夹杂物总量显著降低,从而提高了碳板切割的纯洁度。
表1-40冶炼工艺对碳板切割中夹杂物含量的影响
冶炼工艺 |
夹杂物 |
分量/% |
总量/% |
AI2O3 |
SiOz |
TiOz |
FeO |
Cr2Q3 |
MnO |
电弧炉 |
0.0127 |
0.0089 |
0.0012 |
0.0001 |
0.0003 |
0.0004 |
痕 |
电弧炉加喷粉 |
0.0015 |
0.0001 |
0.0012 |
0.0001 |
0.0001 |
0.0002 |
痕 |
图1-17是4Cr5MoSiVl碳板切割经电弧炉冶炼和碳板切割包喷粉的夹杂物颗粒累积分布图,显然,碳板切割包喷粉工艺可以有效地细化碳板切割中夹杂物,这对改善碳板切割材的性能是有利的。
碳板切割包喷粉工艺对碳板切割中的夹杂物形貌和成分也是有影响的。例
o'------- 1------- 1------- 1------- 1------- 1——
u 5 10 15 20 25
夹杂物颗粒平均尺寸/pm图1-174Cr5MoSiVl碳板切割夹杂物颗粒累积分布图
如,5CrNiMo碳板切割液经过喷吹Ca-Si粉处理后,棒状的硫化锰(铁)夹杂物转化成球状钙的硫化物夹杂,从而改善了碳板切割的横向性能,因而提高了碳板切割的等向性能。
B微量稀土元素对夹杂物的变质作用碳板切割中的硫化物夹杂,随碳板切割的热加工变形而变形。伸长的MnS形成了在碳板切割材中的夹层,给碳板切割材的性能带来不利影响,易引起轧板在厚度方向的层状撕裂。
当碳板切割只经过一个方向热变形时,硫化物沿着变形方向伸长,从而造成纵横向力学性能差异,对于碳板切割的韧性和塑性不利,尤其是厚度方向的韧性和塑性更不利。
碳板切割中加入稀土后,视碳板切割中含氧的情况,首先形成稀土氧化物。由于稀土与硫的亲和力大于锰与硫的亲和力,因而碳板切割中还会形成稀土氧硫化物或稀土硫化物,使MnS夹杂物逐渐减少,以至于消失。这些稀土氧化物、氧硫化物和硫化物均有很高的熔点(见表1-41),它们在轧制(或锻造)温度范围内与A12Q3类似,均不变形。碳板切割中稀土量的增加,先是MnS中溶有部分稀土,然后是MnS逐步为稀土氧硫化物或硫化物取代。这就是所谓稀土对碳板切割中硫化物夹杂的变质作用。
表1-41常见稀土化合物的熔点与密度
化合物 |
熔点/c |
密度/g*aiT3 |
CeC^ |
>2600 |
|
Ce203 |
1690 |
6.70 |
L&203 |
2320 |
6.57 |
LaS |
2200 |
5.57 |
CeS |
2450 |
5.88 |
La2QzS |
1940 |
5.77 |
C^QzS |
1950 |
5.99 |
由于稀土的变质作用,给碳板切割的性能带来一系列的影响。例如,经稀土处理后的3Cr2Mo模具碳板切割中片状MnS为小球状的稀土夹杂物所取代,从而使碳板切割的各向异性显著减小;而且,随着碳板切割中稀土/硫(RE/S)值的增加,碳板切割的纵横向性能(尤其是韧性和塑性)的差异逐渐减小,当m(RE)/m(S)=3.9时,在3Cr2Mo塑料模具碳板切割中仅存在球状稀土硫化物,碳板切割材性能的方向性基本上消失[57],即提高了碳板切割的等向性能。
稀土对夹杂物的变质作用,不仅可以改善模具碳板切割的韧性和等向性能,而且还可以改善碳板切割的热疲劳性能,提高碳板切割的耐磨性,改善其可焊性,提高其热塑性和提高其高温强度等。
C热加工、热处理工艺及其参数的最佳化改善碳板切割中碳化物的不均匀性是进一步提高合金模具碳板切割使用性能和寿命的一个重要途径,碳板切割锭和碳板切割坯的高温保温、扩散均匀化是改善碳板切割的成分和组织不均匀性的一种有效方法。这种方法,在国外合金模具碳板切割生产过程中已得到一定应用且获得良好效果,国内采用尚需有个过程。
对于4Cr5MoSiVl,35Cr3Mo3W2V等热作模具碳板切割,在锻造后的冷却过程中会沿奥氏体晶界析出链状的碳化物,这种碳化物在以后的热处理过程(如球化退火、淬火、回火等)中并不能完全消除。这种链状碳化物保留在模具成品中,成为模具的疲劳源,使模具过早地产生低频疲劳裂纹,降低模具的使用寿命。通过对35Cr3Mo3W2V碳板切割的研究得出,在热加工后冷却过程中析出的链状碳化物相为MeC。为了消除或改善这种链状碳化物的分布,除改善碳板切割锭原始成分偏析,控制奥氏体晶粒大小和均勻度外,适当地控制锻轧后的冷却速度(大于链状碳化物形成的临界冷却速度)是一种简便有效的方法。但冷却速度大易引起模具开裂,为此,可采用高温正火或高温淬火加高温回火的预先热处理,再进行球化退火,这样可以有效地改善碳板切割中链状碳化物的分布甚至将其完全消除,从而提高碳板切割材的韧性,延长模具的使用寿命。