水冷铜模与砂模铸造M2钢显微组织对比.pdf_大学文库

工程科学学报，第38卷，第6期：787-794,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.6:787-794,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.007:http://journals.ustb.edu.cn 水冷铜模与砂模铸造M2钢显微组织对比赵志刚2)区，仇圣桃2”，朱荣) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京100081 ☒通信作者，E-mail:zhaozhigangl19@126.com 摘要采用实验室25kg高频真空感应炉熔炼M2钢，并用水冷铜模和砂模均浇铸为横截面100mm×50mm的M2钢铸锭，研究冷却速度对M2钢二次枝晶间距、渗透率、碳化物和晶粒尺寸及分布的影响.研究结果表明：2钢凝固过程中，快的冷却速度能有效减小二次枝晶间距、渗透率、晶粒和网状碳化物的尺寸，同时可以改善晶粒和网状碳化物的分布和均匀性：砂模和水冷铜模M2钢铸锭的平均二次枝晶间距分别为42.5m和21.6μm,平均冷却速度为1.06Ks和12.50K·s,平均渗透率分别为0.13um2和0.035μm2.快的冷却速度能有效减轻中心碳偏析程度，砂模和水冷铜模模铸的M2钢铸锭中心碳化物面积分数分别为0.46和0.30，且其较各自的平均值分别增大38.7%和2.2%：水冷铜模铸锭平均晶粒尺寸(43.1u)较砂模铸锭的平均晶粒尺寸(72.6μm)减小约40.7%，铸锭中心晶粒尺寸减小43.2%，且水冷铜模铸锭的晶粒尺寸较砂模铸锭均匀.文中获得了M2钢凝固过程中晶粒尺寸与冷却速度的关系式关键词高速钢：模铸：冷却速度：显微组织分类号TF763·.3 Comparison between the microstructures of M2 steel cast by the water-cooled copper mould and the sand mould ZHAO Zhi-gang,QIU Sheng-tao2,ZHU Rong) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)National Engineering Research Center of Continuous Casting Technology,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China Corresponding author,E-mail:zhaozhigangl19@126.com ABSTRACT M2 steel was melted by a 25 kg high-frequency vacuum induction furnace and was cast to ingots with a cross section of 100 mm x 50 mm by the water-eooled copper mould and the sand mould.The effects of cooling rate on the ingot's secondary dendrite arm spacing (A2),permeability,and size and distribution of grains and carbides were studied.The results show that fast cooling rate can effectively decrease the A2,permeability and size of grains and network carbides,and improve the distribution and uniformity of network carbides and grains during solidification.The A2 values of ingots cast with the sand mould and the water-cooled copper mould are 42.5 um and 21.6 um,the cooling rate is 1.06 Ks and 12.5Ks,and the permeability is 1.3x10-um2 and 3.5x 10-2 um',respectively.Fast cooling rate can effectively reduce the center carbon segregation degree.The area fraction of carbides is 0.46 and 0.30 respectively at the center of ingots cast with the sand mould and the water-eooled copper mould,and increases by 38.7% and 2.2%respectively compared with their average values.The average grain size of ingots cast with the water-cooled copper mould and the sand mould is 41.3 um and 72.6 um,respectively.Comparing with the sand mould ingot,the grain size at the center of the water-cooled copper mould ingot reduces by 43.2%,and the grain size of the water-cooled copper ingot is more uniform.The relation- ship between grain size and cooling rate was presented in this paper. KEY WORDS high speed steel:moulding:cooling rate:microstructure 收稿日期：2015-一1207

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期: 787--794，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 6: 787--794，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 06． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 水冷铜模与砂模铸造 M2 钢显微组织对比赵志刚1，2) ，仇圣桃2) ，朱荣1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，北京 100081  通信作者，E-mail: zhaozhigang119@ 126． com 摘要采用实验室 25 kg 高频真空感应炉熔炼 M2 钢，并用水冷铜模和砂模均浇铸为横截面 100 mm × 50 mm 的 M2 钢铸锭，研究冷却速度对 M2 钢二次枝晶间距、渗透率、碳化物和晶粒尺寸及分布的影响．研究结果表明: M2 钢凝固过程中，快的冷却速度能有效减小二次枝晶间距、渗透率、晶粒和网状碳化物的尺寸，同时可以改善晶粒和网状碳化物的分布和均匀性; 砂模和水冷铜模 M2 钢铸锭的平均二次枝晶间距分别为 42. 5 μm 和 21. 6 μm，平均冷却速度为 1. 06 K·s － 1和 12. 50 K·s － 1，平均渗透率分别为 0. 13 μm2 和 0. 035 μm2 ．快的冷却速度能有效减轻中心碳偏析程度，砂模和水冷铜模模铸的 M2 钢铸锭中心碳化物面积分数分别为 0. 46 和 0. 30，且其较各自的平均值分别增大 38. 7% 和 2. 2% ; 水冷铜模铸锭平均晶粒尺寸( 43. 1 μm) 较砂模铸锭的平均晶粒尺寸( 72. 6 μm) 减小约 40. 7% ，铸锭中心晶粒尺寸减小 43. 2% ，且水冷铜模铸锭的晶粒尺寸较砂模铸锭均匀．文中获得了 M2 钢凝固过程中晶粒尺寸与冷却速度的关系式．关键词高速钢; 模铸; 冷却速度; 显微组织分类号 TF763 + . 3 Comparison between the microstructures of M2 steel cast by the water-cooled copper mould and the sand mould ZHAO Zhi-gang1，2)  ，QIU Sheng-tao2) ，ZHU Ｒong1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) National Engineering Ｒesearch Center of Continuous Casting Technology，Central Iron and Steel Ｒesearch Institute，Beijing 100081，China  Corresponding author，E-mail: zhaozhigang119@ 126． com ABSTＲACT M2 steel was melted by a 25 kg high-frequency vacuum induction furnace and was cast to ingots with a cross section of 100 mm × 50 mm by the water-cooled copper mould and the sand mould． The effects of cooling rate on the ingot’s secondary dendrite arm spacing ( λ2 ) ，permeability，and size and distribution of grains and carbides were studied． The results show that fast cooling rate can effectively decrease the λ2，permeability and size of grains and network carbides，and improve the distribution and uniformity of network carbides and grains during solidification． The λ2 values of ingots cast with the sand mould and the water-cooled copper mould are 42. 5 μm and 21. 6 μm，the cooling rate is 1. 06 K·s － 1 and 12. 5 K·s － 1，and the permeability is 1. 3 × 10 － 1 μm2 and 3. 5 × 10 － 2 μm2 ，respectively． Fast cooling rate can effectively reduce the center carbon segregation degree． The area fraction of carbides is 0. 46 and 0. 30 respectively at the center of ingots cast with the sand mould and the water-cooled copper mould，and increases by 38. 7% and 2. 2% respectively compared with their average values． The average grain size of ingots cast with the water-cooled copper mould and the sand mould is 41. 3 μm and 72. 6 μm，respectively． Comparing with the sand mould ingot，the grain size at the center of the water-cooled copper mould ingot reduces by 43. 2% ，and the grain size of the water-cooled copper ingot is more uniform． The relationship between grain size and cooling rate was presented in this paper． KEY WOＲDS high speed steel; moulding; cooling rate; microstructure 收稿日期: 2015--12--07

·788· 工程科学学报，第38卷，第6期 M2钢（我国牌号W6Mo5C4V2钢，简称6-5-4- 模对M2钢铸锭凝固组织的影响，并与砂模作对比，同 2)为钨钼系通用高速钢的代表钢种，是我国产量最大时根据实验结果定量分析二次枝晶间距、碳化物面积的高速钢，占我国高速钢总产量的40%以上Ⅲ.M2钢分数和冷却速度与碳化物和晶粒尺寸的关系，拟合晶铸态组织是由不连续的晶粒和晶粒之间的网状碳化物粒尺寸与冷却速度之间的关系公式，这对控制M2钢组成，其晶粒和碳化物的分布和尺寸对产品质量具有晶粒和碳化物的尺寸和分布提供参考. 直接的影响回.很多治金工作者研究发现B,均匀、 1实验材料及方法细小且分布弥散的碳化物和晶粒，可以较大程度地提高M2钢产品的质量和寿命. 采用高频真空感应炉（容量25kg)熔炼20kgM2 为了在M2钢中获得细小且分布均匀的碳化物和钢（其化学成分如表1所示），待温度达到1460℃(M2 晶粒，目前主要的方法为改变M2钢的凝固过程和轧钢液相线温度T,=1430℃)，注入横截面为50mm× 制过程的压缩比.提高压缩比对改善其碳化物和晶粒 100mm的水冷铜模和砂漠内，冷却到室温，得到两块的尺寸和分布效果有限：改变其凝固过程主要包括添长度约为300mm的铸锭，在距离铸锭底部100mm处，加微合金元素和改变冷却速度0.微合金虽然取10mm厚的薄片，并按图1所示的方法取六个试样在一定程度上改善碳化物的形态和分布，但对碳化物进行后续处理和分析，试样a、b和c为铸锭边部，试样和晶粒的尺寸方面影响不大.Zou等通过改变模 d、e和f通过铸锭中心线.水冷铜模中两个宽面是水铸（铸铁模和砂模）的冷却速度研究M2钢铸锭的凝固冷铜面，其余为砂冷.对六个试样进行抛光后，采用组织，张彩东☒利用双棍薄带生产M2钢铸带，均发现 10%FCL,溶液腐蚀后在显微镜下观察微观组织，同时快的冷却速度能改善M2钢中碳化物分布.目前，我们采用金属材料显微图像分析系统(micro-image analysis 对冷却速度与组织关系的定量化研究还很不足.本文 &process system,MIAPS)分析二次枝晶间距，碳化物研究比铸铁模拥有更高的冷却速度的模铸一水冷铜的分布、尺寸和面积分数表1M2钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of M2 steel % 试样 C Mn Cr Mo W M2 (ASTM) 0.8-0.9 0.2-0.45 0.15-0.4 3.8-4.4 4.55.5 1.75~2.2 5.5-6.75 M2(实验) 0.806 0.306 0.334 4.01 4.567 1.774 5.71 =4（出） (1) 式中：入2为二次枝晶间距，m;dT/d为凝固速度，T为 d 钢液温度，t为时间：A和b为参数.对于M2高速钢而言，A=43,b=0.320 图2和图3分别为M2钢砂模锭和水冷铜模铸锭 20 mm 20 mm 20mm 各试样的金相照片. 100mm 在各试样选取多个视场，并利用金属材料显微图像分析系统测量视场中各树枝晶i的长度L,统计树图1铸态组织取样示意图 Fig.1 Schematic diagram of sampling for casting microstructure 枝晶i所包含的二次枝晶的个数N.通过式(2)计算各试样的平均二次枝晶间距入2，计算结果如图4所 2实验结果及分析示.把图4的计算结果带入式(1)可得到各试样的冷却速度，其结果如图5所示 2.1二次枝晶间距的测量 M2钢凝固过程中的冷却速度难以直接测量，根据 ∑4 入2= (2) 文献3-15]可知，在钢液的凝固中，枝晶生长速度取 ∑N 决于冷却速度，而枝晶生长速度又决定着二次枝晶间从图2和图3可以直观看出，在相同试样砂模铸距的大小.冷却速度越快，枝晶生长速度也越快，二次的M2钢树枝晶比水冷铜模的粗大，这样会造成枝晶枝晶间距则越小，所以可以通过二次枝晶间距的测算间隙增大，容易形成尺寸较大的网状碳化物结果反算其冷却速度，二次枝晶间距和凝固速度之间从图4和图5可以看出水冷铜模二次枝晶间距显的经验关系可以表示为著小于砂型模铸，相应的冷却速度也有巨大的差距

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 M2 钢( 我国牌号 W6Mo5Cr4V2 钢，简称 6--5--4-- 2) 为钨钼系通用高速钢的代表钢种，是我国产量最大的高速钢，占我国高速钢总产量的 40% 以上［1］． M2 钢铸态组织是由不连续的晶粒和晶粒之间的网状碳化物组成，其晶粒和碳化物的分布和尺寸对产品质量具有直接的影响［2］．很多冶金工作者研究发现［3--5］，均匀、细小且分布弥散的碳化物和晶粒，可以较大程度地提高 M2 钢产品的质量和寿命．为了在 M2 钢中获得细小且分布均匀的碳化物和晶粒，目前主要的方法为改变 M2 钢的凝固过程和轧制过程的压缩比．提高压缩比对改善其碳化物和晶粒的尺寸和分布效果有限; 改变其凝固过程主要包括添加微合金元素［6--8］和改变冷却速度［9--10］．微合金虽然在一定程度上改善碳化物的形态和分布，但对碳化物和晶粒的尺寸方面影响不大． Zhou 等［11］通过改变模铸( 铸铁模和砂模) 的冷却速度研究 M2 钢铸锭的凝固组织，张彩东［12］利用双棍薄带生产 M2 钢铸带，均发现快的冷却速度能改善 M2 钢中碳化物分布．目前，我们对冷却速度与组织关系的定量化研究还很不足．本文研究比铸铁模拥有更高的冷却速度的模铸———水冷铜模对 M2 钢铸锭凝固组织的影响，并与砂模作对比，同时根据实验结果定量分析二次枝晶间距、碳化物面积分数和冷却速度与碳化物和晶粒尺寸的关系，拟合晶粒尺寸与冷却速度之间的关系公式，这对控制 M2 钢晶粒和碳化物的尺寸和分布提供参考． 1 实验材料及方法采用高频真空感应炉( 容量 25 kg) 熔炼 20 kg M2 钢( 其化学成分如表 1 所示) ，待温度达到 1460 ℃ ( M2 钢液相线温度 Tl = 1430 ℃ ) ，注入横截面为 50 mm × 100 mm 的水冷铜模和砂漠内，冷却到室温，得到两块长度约为 300 mm 的铸锭，在距离铸锭底部 100 mm 处，取 10 mm 厚的薄片，并按图 1 所示的方法取六个试样进行后续处理和分析，试样 a、b 和 c 为铸锭边部，试样 d、e 和 f 通过铸锭中心线．水冷铜模中两个宽面是水冷铜面，其余为砂冷．对六个试样进行抛光后，采用 10% FeCl3溶液腐蚀后在显微镜下观察微观组织，同时采用金属材料显微图像分析系统( micro-image analysis ＆ process system，MIAPS) 分析二次枝晶间距，碳化物的分布、尺寸和面积分数．表 1 M2 钢化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of M2 steel % 试样 C Si Mn Cr Mo V W M2 ( ASTM) 0. 8 ～ 0. 9 0. 2 ～ 0. 45 0. 15 ～ 0. 4 3. 8 ～ 4. 4 4. 5 ～ 5. 5 1. 75 ～ 2. 2 5. 5 ～ 6. 75 M2 ( 实验) 0. 806 0. 306 0. 334 4. 01 4. 567 1. 774 5. 71 图 1 铸态组织取样示意图 Fig． 1 Schematic diagram of sampling for casting microstructure 2 实验结果及分析 2. 1 二次枝晶间距的测量 M2 钢凝固过程中的冷却速度难以直接测量，根据文献［13--15］可知，在钢液的凝固中，枝晶生长速度取决于冷却速度，而枝晶生长速度又决定着二次枝晶间距的大小．冷却速度越快，枝晶生长速度也越快，二次枝晶间距则越小，所以可以通过二次枝晶间距的测算结果反算其冷却速度，二次枝晶间距和凝固速度之间的经验关系［16］可以表示为 λ2 = ( A dT d ) t － b ． ( 1) 式中: λ2为二次枝晶间距，μm; dT /dt 为凝固速度，T 为钢液温度，t 为时间; A 和 b 为参数．对于 M2 高速钢而言，A = 43，b = 0. 32［16］．图 2 和图 3 分别为 M2 钢砂模锭和水冷铜模铸锭各试样的金相照片．在各试样选取多个视场，并利用金属材料显微图像分析系统测量视场中各树枝晶 i 的长度 Li，统计树枝晶 i 所包含的二次枝晶的个数 Ni ．通过式( 2) 计算各试样的平均二次枝晶间距 λ2，计算结果如图 4 所示．把图 4 的计算结果带入式( 1) 可得到各试样的冷却速度，其结果如图 5 所示． λ2 = ∑Li ∑Ni ． ( 2) 从图 2 和图 3 可以直观看出，在相同试样砂模铸的 M2 钢树枝晶比水冷铜模的粗大，这样会造成枝晶间隙增大，容易形成尺寸较大的网状碳化物．从图 4 和图 5 可以看出水冷铜模二次枝晶间距显著小于砂型模铸，相应的冷却速度也有巨大的差距． · 887 ·

·790· 工程科学学报，第38卷，第6期 60 的能力越强，造成溶质元素在铸坯中心富集，而较小的渗透率能有效减小中心偏析.国内外很多学者7-9研砂型模铸究了渗透率对偏析的影响.金属凝固过程糊状区通常 5 采用Kozeny-Carman公式来计算渗透率o: K= (1-f)3 xe (3) 水冷铜模式中：K,为糊状区渗透率，um2:f为固相率：Ckc为 Kozeny-Carman常数，取值为5；S。为固相的比表面积， 15 10 Ahmad等n在假设晶粒为均匀球体的的情况下获得试样 S。计算式，即 S。=6/入2. (4) 图4M2钢铸锭不同试样的二次枝晶间距将式(4)带入式(3)，得 Fig.4 A2 of the different samples for the M2 steel ingots 3(1-)3 Kp= (5) 40F 180 式中：入2为二次枝晶间距，mf取0.8 25 从(5)式可知渗透率与二次枝晶间距的平方成正水冷铜模比，二次枝晶间距越大则渗透率越大，渗透率大则溶质元素富集的液相流动性较好，极易从凝固前沿流向内 14 部的液相，造成溶质元素中心偏聚.依据图4中M2钢 12 砂型模铸铸锭不同试样的二次枝晶间距的测量结果，可以通过 1.0 式（⑤）计算得到相应试样的渗透率，其结果如6图所 0.8 0.6 示.从图6可以得到水冷铜模和砂模的M2铸锭的平均渗透率分别为0.035μm2和0.13μm2,且水冷铜模铸试样锭各试样的渗透率均小于砂模的相应试样，可见冷却图5M2钢铸锭不同试样的计算冷却速度速度对M2钢凝固过程中糊状区的渗透率有着重要的 Fig.5 Calculative cooling rate of the different samples of M2 steel in- 影响.水冷铜模铸锭的试样a、b和c的渗透率明显低 gots 于砂模铸锭对应的试样，这样可以推断水冷铜模的试没有边部的明显，但冷却速度增大2.4倍对铸锭中心样a、b和c中碳化物面积分数要大于砂型模锭对应的的碳化物和晶粒尺寸和分布有着明显的改善作用.将试样.这是因为渗透率小，溶质富集的液相流动性差，在后续的晶粒尺寸和碳化物分布作详细介绍. 最终在该试样凝固，形成碳化物，同时由于a、b和c处表2水冷铜模和砂模铸锭各试样的二次枝品间距及计算冷却速度的冷却速度较大则可以推断碳化物的尺寸会减小.铸的比值锭中心试样「的碳化物面积分数将受到其他试样渗透 Table 2 Ratios of A2 and calculative cooling rate for the different sam- 率的影响.从图6可以看出砂模的试样a、b、c、d和e ples of ingots cast with the water-cooled copper mould and sand mould 的渗透率要明显大于水冷铜模的相应试样，根据上述比值 b cdef平均理论可以判断出水冷铜模得到的铸锭中心碳偏析程度二次枝晶间距0.380.420.510.470.490.750.50 0.18 计算冷却速度20.8715.428.2210.359.102.4011.85 0.16 0.14 砂型模铸 2.2渗透率计算与碳化物分布 0.12- M2钢的液固相线相差较大(T1=1443℃、T.= 0.10 0.08 1230℃)，约213℃，所以在M2钢凝固过程中存在着 0.06 较大的糊状区.糊状区是选分结晶的主要区域，也是 0.04 水冷铜模造成溶质元素偏聚的主要区域.M2钢的糊状区是由 0.02 不连续的树枝晶和树枝晶之间溶质富集的液相组成， 0.00 所以研究糊状区溶质富集的液相流动性对控制溶质元试样素偏析有着重要的意义.渗透率可以描述糊状区内枝图6M2钢铸锭各试样的渗透率晶对液相流动的影响，渗透率越大则液相通过枝晶间 Fig.6 Permeability of the different samples of the M2 steel ingots

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期图 4 M2 钢铸锭不同试样的二次枝晶间距 Fig． 4 λ2 of the different samples for the M2 steel ingots 图 5 M2 钢铸锭不同试样的计算冷却速度 Fig． 5 Calculative cooling rate of the different samples of M2 steel ingots 没有边部的明显，但冷却速度增大 2. 4 倍对铸锭中心的碳化物和晶粒尺寸和分布有着明显的改善作用．将在后续的晶粒尺寸和碳化物分布作详细介绍．表 2 水冷铜模和砂模铸锭各试样的二次枝晶间距及计算冷却速度的比值 Table 2 Ｒatios of λ2 and calculative cooling rate for the different samples of ingots cast with the water-cooled copper mould and sand mould 比值 a b c d e f 平均二次枝晶间距 0. 38 0. 42 0. 51 0. 47 0. 49 0. 75 0. 50 计算冷却速度 20. 87 15. 42 8. 22 10. 35 9. 10 2. 40 11. 85 2. 2 渗透率计算与碳化物分布 M2 钢的液固相线相差较大( Tl = 1443 ℃、Ts = 1230 ℃ ) ，约 213 ℃，所以在 M2 钢凝固过程中存在着较大的糊状区．糊状区是选分结晶的主要区域，也是造成溶质元素偏聚的主要区域． M2 钢的糊状区是由不连续的树枝晶和树枝晶之间溶质富集的液相组成，所以研究糊状区溶质富集的液相流动性对控制溶质元素偏析有着重要的意义．渗透率可以描述糊状区内枝晶对液相流动的影响，渗透率越大则液相通过枝晶间的能力越强，造成溶质元素在铸坯中心富集，而较小的渗透率能有效减小中心偏析．国内外很多学者［17--19］研究了渗透率对偏析的影响．金属凝固过程糊状区通常采用 Kozeny--Carman 公式来计算渗透率［20］: KP = ( 1 － fs) 3 CKC·S2 0 ·f 2 s ． ( 3) 式中: KP 为糊状区渗透率，μm2 ; fs 为固相率; CKC 为 Kozeny--Carman 常数，取值为 5; S0为固相的比表面积， Ahmad 等［21］在假设晶粒为均匀球体的的情况下获得 S0计算式，即 S0 = 6 /λ2 ． ( 4) 将式( 4) 带入式( 3) ，得 KP = λ2 2 ( 1 － fs) 3 180f 2 s ． ( 5) 式中: λ2为二次枝晶间距，μm; fs取 0. 8．从( 5) 式可知渗透率与二次枝晶间距的平方成正比，二次枝晶间距越大则渗透率越大，渗透率大则溶质元素富集的液相流动性较好，极易从凝固前沿流向内部的液相，造成溶质元素中心偏聚．依据图 4 中 M2 钢铸锭不同试样的二次枝晶间距的测量结果，可以通过式( 5) 计算得到相应试样的渗透率，其结果如 6 图所图 6 M2 钢铸锭各试样的渗透率 Fig． 6 Permeability of the different samples of the M2 steel ingots 示．从图 6 可以得到水冷铜模和砂模的 M2 铸锭的平均渗透率分别为 0. 035 μm2 和 0. 13 μm2 ，且水冷铜模铸锭各试样的渗透率均小于砂模的相应试样，可见冷却速度对 M2 钢凝固过程中糊状区的渗透率有着重要的影响．水冷铜模铸锭的试样 a、b 和 c 的渗透率明显低于砂模铸锭对应的试样，这样可以推断水冷铜模的试样 a、b 和 c 中碳化物面积分数要大于砂型模锭对应的试样．这是因为渗透率小，溶质富集的液相流动性差，最终在该试样凝固，形成碳化物，同时由于 a、b 和 c 处的冷却速度较大则可以推断碳化物的尺寸会减小．铸锭中心试样 f 的碳化物面积分数将受到其他试样渗透率的影响．从图 6 可以看出砂模的试样 a、b、c、d 和 e 的渗透率要明显大于水冷铜模的相应试样，根据上述理论可以判断出水冷铜模得到的铸锭中心碳偏析程度 · 097 ·

·792· 工程科学学报，第38卷，第6期 0.55 碳化物面积分数较小.而在砂模铸锭中试样a、b和c 0.50 处溶质元素流动的阻碍作用没有水冷铜模那么显著，所以该处溶质富集的液相部分流向试样d、e和「，所以 0.45 砂型模铸该处碳化物含量低于水冷铜模的相应试样，也将导致 % 砂模铸锭中试样d、e和f的碳化物含量增加 0.35 2.3晶粒尺寸测量 0.30 图l0为采用金属材料显微图像分析系统(micro-- 0.25 水冷铜模 image analysis&process system,MAPS)统计晶粒尺寸 0.20 的统计过程（砂型模铸试样b金相照片），图11为两铸锭不同试样处晶粒尺寸的统计结果. 试样从图11可以看出水冷铜模铸锭的晶粒尺寸较砂图9M2钢铸锭不同试样碳化物面积分数模铸锭细小，砂模铸锭六个试样的平均晶粒尺寸约为 Fig.9 Area fraction of carbides in the different samples of the M2 steel ingots 72.6μm,水冷铜模铸锭平均晶粒尺寸约43.1m,水冷铜模铸锭的平均晶粒尺寸较砂模铸锭的平均晶粒尺寸为0.30，较其碳化物平均面积分数(0.29)仅增大减小约40.7%.水冷铜模各试样晶粒尺寸与平均晶粒 2.2%.对比图9中水冷铜模和砂模铸锭的试样a、b 尺寸之间的最大相差27.3%，而砂模为32.3%.可见和℃中碳化物面积分数可以发现，水冷铜模铸锭这三水冷铜模铸锭的晶粒尺寸细小，且分布均匀个试样的碳化物面积分数要大于砂模铸锭相应试样. 根据图11的各试样晶粒尺寸和图5的各试样的这是因为较大的冷却速度将得到较小的二次枝晶间冷却速度，可以得到在2钢凝固过程中冷却速度与距，而较小的二次枝晶间距会使渗透率减小，较小的渗其晶粒尺寸之间的关系图，其结果如图12所示.对图透率能有效的阻碍溶质元素从铸锭边部向铸锭中心的 I2的数据在Origin软件中进行非线性拟合，得到在流动，从而减轻铸锭的中心偏析.可见水冷铜模铸锭 M2钢的凝固过程中冷却速度dT/d!与晶粒尺寸1之中心碳偏析得到有效的控制，同时可以得出水冷铜模间的关系：铸锭横截面上碳化物的分布比砂模铸锭均匀.与上述 (6) 渗透率推断能很好的吻合 1=27.2+36.2e-譬+3.8×10e- 对比图9中水冷铜模和砂模铸锭的试样a、b、c与式(6)的拟合度高达0.92，可见式(6)能根据冷却速度试样d、e、「中碳化物面积分数可以发现，水冷铜模铸较准确的计算M2钢晶粒的尺寸. 锭的试样d、e和f中碳化物面积分数要小于试样a、b 从图12和拟合公式(6)可以看出随着冷却速度和©，而砂模铸锭与水冷铜模铸锭恰好相反.根据上述的增大，晶粒尺寸逐渐减小，且冷却速度与晶粒尺寸之渗透率的分析可以解释：在水冷铜模铸锭的试样a、b 间是非线性关系.在较低的冷却速度下，适当增大冷和℃的冷却速度较大，相应的渗透率较小，溶质元素的却速度，晶粒尺寸能够得到大幅度的减小：而在较大的流动受到的阻碍极大，所以该处的碳化物面积分数较冷却速度的基础上提高冷却速度，晶粒尺寸的减小幅高.试样d、e和「的渗透率较大，溶质元素富集的液相度不是特别明显.在金属凝固过程中，影响晶粒尺寸流动没有得到充分的阻碍，向内部流动，但试样a、b和的主要因素为形核率，形核率越大则晶粒尺寸将越小， c的溶质富集液没有或很少流到试样d、e和「，所以其而形核率与过冷度之间为正相关的关系，冷却速度越 b 100um 100m 图10品粒尺寸统计，(a)原始金相照片：(b)处理后的金相照片 Fig.10 Crain size statistic result:(a)original metallograph:(b)metallograph after processing

工程科学学报，第 38 卷，第 6 期图 9 M2 钢铸锭不同试样碳化物面积分数 Fig． 9 Area fraction of carbides in the different samples of the M2 steel ingots 为 0. 30，较其碳化物平均面积分数 ( 0. 29 ) 仅增大 2. 2% ．对比图 9 中水冷铜模和砂模铸锭的试样 a、b 和 c 中碳化物面积分数可以发现，水冷铜模铸锭这三个试样的碳化物面积分数要大于砂模铸锭相应试样．这是因为较大的冷却速度将得到较小的二次枝晶间距，而较小的二次枝晶间距会使渗透率减小，较小的渗透率能有效的阻碍溶质元素从铸锭边部向铸锭中心的图 10 晶粒尺寸统计． ( a) 原始金相照片; ( b) 处理后的金相照片 Fig． 10 Grain size statistic result: ( a) original metallograph; ( b) metallograph after processing 流动，从而减轻铸锭的中心偏析．可见水冷铜模铸锭中心碳偏析得到有效的控制，同时可以得出水冷铜模铸锭横截面上碳化物的分布比砂模铸锭均匀．与上述渗透率推断能很好的吻合．对比图 9 中水冷铜模和砂模铸锭的试样 a、b、c 与试样 d、e、f 中碳化物面积分数可以发现，水冷铜模铸锭的试样 d、e 和 f 中碳化物面积分数要小于试样 a、b 和 c，而砂模铸锭与水冷铜模铸锭恰好相反．根据上述渗透率的分析可以解释: 在水冷铜模铸锭的试样 a、b 和 c 的冷却速度较大，相应的渗透率较小，溶质元素的流动受到的阻碍极大，所以该处的碳化物面积分数较高．试样 d、e 和 f 的渗透率较大，溶质元素富集的液相流动没有得到充分的阻碍，向内部流动，但试样 a、b 和 c 的溶质富集液没有或很少流到试样 d、e 和 f，所以其碳化物面积分数较小．而在砂模铸锭中试样 a、b 和 c 处溶质元素流动的阻碍作用没有水冷铜模那么显著，所以该处溶质富集的液相部分流向试样 d、e 和 f，所以该处碳化物含量低于水冷铜模的相应试样，也将导致砂模铸锭中试样 d、e 和 f 的碳化物含量增加． 2. 3 晶粒尺寸测量图 10 为采用金属材料显微图像分析系统( microimage analysis ＆ process system，MIAPS) 统计晶粒尺寸的统计过程( 砂型模铸试样 b 金相照片) ，图 11 为两铸锭不同试样处晶粒尺寸的统计结果．从图 11 可以看出水冷铜模铸锭的晶粒尺寸较砂模铸锭细小，砂模铸锭六个试样的平均晶粒尺寸约为 72. 6 μm，水冷铜模铸锭平均晶粒尺寸约 43. 1 μm，水冷铜模铸锭的平均晶粒尺寸较砂模铸锭的平均晶粒尺寸减小约 40. 7% ．水冷铜模各试样晶粒尺寸与平均晶粒尺寸之间的最大相差 27. 3% ，而砂模为 32. 3% ．可见水冷铜模铸锭的晶粒尺寸细小，且分布均匀．根据图 11 的各试样晶粒尺寸和图 5 的各试样的冷却速度，可以得到在 M2 钢凝固过程中冷却速度与其晶粒尺寸之间的关系图，其结果如图 12 所示．对图 12 的数据在 Origin 软件中进行非线性拟合，得到在 M2 钢的凝固过程中冷却速度 dT / dt 与晶粒尺寸 l 之间的关系: l = 27. 2 + 36. 2e － dT/dt 13. 1 + 3. 8 × 104 e － dT/dt 0. 11 ． ( 6) 式( 6) 的拟合度高达 0. 92，可见式( 6) 能根据冷却速度较准确的计算 M2 钢晶粒的尺寸．从图 12 和拟合公式( 6) 可以看出随着冷却速度的增大，晶粒尺寸逐渐减小，且冷却速度与晶粒尺寸之间是非线性关系．在较低的冷却速度下，适当增大冷却速度，晶粒尺寸能够得到大幅度的减小; 而在较大的冷却速度的基础上提高冷却速度，晶粒尺寸的减小幅度不是特别明显．在金属凝固过程中，影响晶粒尺寸的主要因素为形核率，形核率越大则晶粒尺寸将越小，而形核率与过冷度之间为正相关的关系，冷却速度越 · 297 ·

赵志刚等：水冷铜模与砂模铸造M2钢显微组织对比 ·793 120 模铸锭的平均晶粒尺寸(72.6μm)减小约40.7%，且 110 铸锭中心处晶粒尺寸减小43.2% 100 (4)M2钢凝固过程中其晶粒尺寸与冷却速度的关系式可表示为砂型模铸 1=27.2+36.2e體+3.8×10e-體 50 参考文献水冷铜模 Zhao JZ,Jia ZQ.The present situation about development of 30 high-speed steel at home and abroad.Sci-Tech Inf Dev Econ, 20l h d e 1997,7(1):13 试样 (赵建政，贾志琦.国内外高速钢发展现状.科技情报开发与图11水冷铜模和砂模铸锭不同试样的统计晶粒尺寸经济，1997,7(1)：13) Fig.11 Statistical grain size of the different samples of the sand Luan Y K,Song NN,Bai Y L,et al.Effect of solidification rate mould and water-cooled copper mould ingots on the morphology and distribution of eutectic carbides in centrifu- gal casting high-speed steel rolls.J Mater Process Technol,2010, 100 210(3):536 90 B]Shaikh QA,Coleman D S,Bates J,et al.Wear and micro struc- 。一测量值 tural studies of alloy sintered steels.J Mater Sci Technol,1991,7 80 一拟合曲线 (7):728 [4]Mujahid M,Qureshi M I,Ali M.Development of microstructure during heat treatment of high carbon Cr-Mo steel.Mater Sci Technol,2013,15(4):391 50 [5]EI-Rakayby A M,Mill B.On the microstructure and mechanical 40 properties of high speed steels.J Mater Sci Technol,1988,23 (12):4340 10152025 30 [6]Li YJ,Jiang QC,Zhao YG,et al.Modification of M2 cast high 冷却速度/K·g) speed steel.Acta Metall Sin,1996,32(3):313 图12M2钢凝固过程中晶粒尺寸与冷却速度之间的关系 (李彦军，姜启川，赵宇光，等.2铸造高速钢的变质研究 Fig.12 Relationship between grain size and cooling rate of M2 steel 金属学报，1996,32(3)：313) during solidification [] Feng Z J,Du Z Z,Fu H G.Effect of RE-Ti compound modifica- tion on microstructure and properties of high vanadium high speed 大则其凝固过程中的过冷度将越大.因此，在一定范 steel.J /ron Steel Res,2009,21(10):48 围内增大冷却速度对晶粒的细化有着较为显著的 (丰振军，杜忠泽，符寒光.RE一复合变质对高钒高速钢组效果织和性能的影响.钢铁研究学报，2009,21(10)：48) 从图5可知水冷铜模和砂模铸锭中心（试样）的 8] Mao W M.Effect of Ti RE and B on the solidification process of M2 high speed tool steel.J Beijing Unir Technol,1993,19(2): 冷却速度分别为1.9K·s和0.8K·s,相差仅2.4 38 倍.从图12可以看出，当冷却速度从0.8K·s增大到 (毛卫民.Ti、RE、B对MZ高速钢凝固过程及组织的影响.北 1.9Ks,晶粒尺寸从95um减小到54μm,减小约京工业大学学报，1993,19(2)：38) 43.2%.可见水冷铜模能有效的减小铸锭中心的晶粒 ] Feng M J,Wang E G,Zhan G F,et al.Study on electromagnetic 尺寸 continuous casting of W9 high speed steel.fron Steel,2008,43 (10):25 3结论 (冯明杰，王恩刚，战国锋，等.W9高速钢的电磁连续铸造研究.钢铁，2008,43(10)：25) (1)横截面积为50mm×100mm的砂模和水冷铜 [10]Jiang Y,Cen Q H,Jiang Y H,et al.Effect of cooling rate on 模M2钢铸锭的平均二次枝晶间距分别为42.5和 microstructure of high boron high speed steel roll ring produced 21.6um,平均冷却速度为1.06和12.50Ks. by centrifugal casting.Trans Mater Heat Treat,2013,34(4): (2)水冷铜模和砂模的M2铸锭的平均渗透率分 128 别为0.035和0.13μm2,其中心碳化物面积分数分别 (蒋一，岑启宏，蒋业华，等.冷却速度对离心铸造高硼高速钢辊环组织的影响.材料热处理学报，2013,34(4)：128) 为0.30和0.46，快的冷却速度能有效地降低渗透率从 [11]Zhou X F,Fang F,Li F.Morphology and microstructure of M2C 而减轻中心碳偏析程度. carbide formed at different cooling rates in AlSI M2 high speed (3)水冷铜模铸锭平均晶粒尺寸(43.1um)较砂 steel.J Mater Sci,2011,46(5)1196

赵志刚等: 水冷铜模与砂模铸造 M2 钢显微组织对比图 11 水冷铜模和砂模铸锭不同试样的统计晶粒尺寸 Fig． 11 Statistical grain size of the different samples of the sand mould and water-cooled copper mould ingots 图 12 M2 钢凝固过程中晶粒尺寸与冷却速度之间的关系 Fig． 12 Ｒelationship between grain size and cooling rate of M2 steel during solidification 大则其凝固过程中的过冷度将越大．因此，在一定范围内增大冷却速度对晶粒的细化有着较为显著的效果．从图 5 可知水冷铜模和砂模铸锭中心( 试样 f) 的冷却速度分别为 1. 9 K·s － 1 和 0. 8 K·s － 1，相差仅 2. 4 倍．从图 12 可以看出，当冷却速度从 0. 8 K·s － 1增大到 1. 9 K·s － 1，晶粒尺寸从 95 μm 减小到 54 μm，减小约 43. 2% ．可见水冷铜模能有效的减小铸锭中心的晶粒尺寸． 3 结论 ( 1) 横截面积为 50 mm × 100 mm 的砂模和水冷铜模 M2 钢铸锭的平均二次枝晶间距分别为 42. 5 和 21. 6 μm，平均冷却速度为 1. 06 和 12. 50 K·s － 1 ． ( 2) 水冷铜模和砂模的 M2 铸锭的平均渗透率分别为 0. 035 和 0. 13 μm2 ，其中心碳化物面积分数分别为 0. 30 和0. 46，快的冷却速度能有效地降低渗透率从而减轻中心碳偏析程度． ( 3) 水冷铜模铸锭平均晶粒尺寸( 43. 1 μm) 较砂模铸锭的平均晶粒尺寸( 72. 6 μm) 减小约 40. 7% ，且铸锭中心处晶粒尺寸减小 43. 2% ． ( 4) M2 钢凝固过程中其晶粒尺寸与冷却速度的关系式可表示为 l = 27. 2 + 36. 2e － dT/dt 13. 1 + 3. 8 × 104 e － dT/dt 0. 11 ．参考文献［1］ Zhao J Z，Jia Z Q． The present situation about development of high-speed steel at home and abroad． Sci-Tech Inf Dev Econ， 1997，7( 1) : 13 ( 赵建政，贾志琦．国内外高速钢发展现状．科技情报开发与经济，1997，7( 1) : 13) ［2］ Luan Y K，Song N N，Bai Y L，et al． Effect of solidification rate on the morphology and distribution of eutectic carbides in centrifugal casting high-speed steel rolls． J Mater Process Technol，2010， 210( 3) : 536 ［3］ Shaikh Q A，Coleman D S，Bates J，et al． Wear and micro structural studies of alloy sintered steels． J Mater Sci Technol，1991，7 ( 7) : 728 ［4］ Mujahid M，Qureshi M I，Ali M． Development of microstructure during heat treatment of high carbon Cr--Mo steel． Mater Sci Technol，2013，15( 4) : 391 ［5］ EI-Ｒakayby A M，Mill B． On the microstructure and mechanical properties of high speed steels． J Mater Sci Technol，1988，23 ( 12) : 4340 ［6］ Li Y J，Jiang Q C，Zhao Y G，et al． Modification of M2 cast high speed steel． Acta Metall Sin，1996，32( 3) : 313 ( 李彦军，姜启川，赵宇光，等． M2 铸造高速钢的变质研究．金属学报，1996，32( 3) : 313) ［7］ Feng Z J，Du Z Z，Fu H G． Effect of ＲE--Ti compound modification on microstructure and properties of high vanadium high speed steel． J Iron Steel Ｒes，2009，21( 10) : 48 ( 丰振军，杜忠泽，符寒光．ＲE--Ti 复合变质对高钒高速钢组织和性能的影响．钢铁研究学报，2009，21( 10) : 48) ［8］ Mao W M． Effect of Ti ＲE and B on the solidification process of M2 high speed tool steel． J Beijing Univ Technol，1993，19( 2) : 38 ( 毛卫民． Ti、ＲE、B 对 MZ 高速钢凝固过程及组织的影响．北京工业大学学报，1993，19( 2) : 38) ［9］ Feng M J，Wang E G，Zhan G F，et al． Study on electromagnetic continuous casting of W9 high speed steel． Iron Steel，2008，43 ( 10) : 25 ( 冯明杰，王恩刚，战国锋，等． W9 高速钢的电磁连续铸造研究．钢铁，2008，43( 10) : 25 ) ［10］ Jiang Y，Cen Q H，Jiang Y H，et al． Effect of cooling rate on microstructure of high boron high speed steel roll ring produced by centrifugal casting． Trans Mater Heat Treat，2013，34( 4) : 128 ( 蒋一，岑启宏，蒋业华，等．冷却速度对离心铸造高硼高速钢辊环组织的影响．材料热处理学报，2013，34( 4) : 128) ［11］ Zhou X F，Fang F，Li F． Morphology and microstructure of M2C carbide formed at different cooling rates in AISI M2 high speed steel． J Mater Sci，2011，46( 5) : 1196 · 397 ·