524 工程科学学报，第42卷，第4期 2000 0rmin- 2500 19 rmin-1 1500 1-M2C 2000 1-M2C 2-VC 2-VC 3-MC 1500 3-MC 1000 ('n'eyAuisuaju 1000 500 500 3332LL 20253035404550556065707580859095100 20 40 60 80 100 2a) 20M) 图11结品器转速为0与9r~min时高速钢萃取碳化物粉末的X射线衍射图 Fig.11 XRD pattern of carbide powder obtained from high-speed steel at the mold-rotation speed 0 and 9 rmin 100 Z☑0rmin-' ▣19rmin- 80 65432 B 0 30 MC Carbide type☑ VZZZ53 N M,C MC Carbide type 图12结品器转速对碳化物组成的影响 图13电渣重熔过程金属熔池的界面形状 Fig.12 Effect of mold-rotation speed on carbide composition Fig.13 Interface shape of metal pool during ESR 轧制过程中也不易破碎，即使被破碎，也会带有棱 Flemings!指出，局部凝固时间LST和枝晶晶 角和尖角，增大M2高速钢开裂的几率，因此MC 轴间距d的关系为： 的降低也有利于高速钢质量的改善 logd =k+k2logLST (14) (4)分析 式中：d为晶轴间距，m:k1、为常数，由合金成 碳化物组织的细化与局部凝固时间有关.局 分确定. 部凝固时间(LST)标志合金在固液两相区的停留 从图13可以看出，随着结晶器的旋转，金属熔 时间，即合金完成凝固所消耗的时间，它是评定合 池深度降低，0角度增大，由公式(12)，局部凝固速 金显微结构的重要判据，决定合金一次晶轴间距、 度增加.同时，两相区厚度即X也随着结品器旋转 二次晶轴间距.局部凝固时间越短，枝晶间距越 速度的增加而降低.根据公式(13)，局部凝固时间 小，元素偏析越轻，有利于碳化物的细化.图13为 减少.根据公式(14).枝晶间距降低，元素偏析 电渣重熔过程金属熔池的界面形状.电渣重熔 减轻 过程中，局部凝固时间、局部凝固速度的表达式 在M2凝固过程中，由于选分结晶，当C元素 如下 与V、Mo、Cr、W等合金元素的溶度积达到了析 Vr=V.sine (12) 出的热力学条件时，一次碳化物产生，并在随后的 IST (13) 凝固过程中长大.当结晶器静止时，二次枝晶间距 较大，元素偏析较重，为碳化物的长大提供了空 式中：V,为局部凝固速度，mm:min;X为两相区宽 间，如图14(a)所示(PDA为一次枝晶臂：SDA为 度，mm;V为电渣重熔轴向速度，mm:min;LST为 二次枝品臂)，因此碳化物的尺寸较大；当结晶 局部凝固时间，min:0为局部界面的切线与界面轴 器转速增大，枝晶间距变小，元素偏析程度减轻， 向BB'的交角（图13）. 碳化物生长的空间受限，碳化物的长大被抑制，如轧制过程中也不易破碎，即使被破碎，也会带有棱 角和尖角，增大 M2 高速钢开裂的几率，因此 M6C 的降低也有利于高速钢质量的改善. （4）分析. 碳化物组织的细化与局部凝固时间有关. 局 部凝固时间（LST）标志合金在固液两相区的停留 时间，即合金完成凝固所消耗的时间，它是评定合 金显微结构的重要判据，决定合金一次晶轴间距、 二次晶轴间距. 局部凝固时间越短，枝晶间距越 小，元素偏析越轻，有利于碳化物的细化. 图 13 为 电渣重熔过程金属熔池的界面形状. 电渣重熔 过程中，局部凝固时间、局部凝固速度的表达式 如下[18] . Vr = V ·sinθ （12） LST = X Vr （13） 式中：Vr 为局部凝固速度，mm·min−1 ；X 为两相区宽 度，mm；V 为电渣重熔轴向速度，mm·min−1 ；LST 为 局部凝固时间，min；θ 为局部界面的切线与界面轴 向 BB’的交角（图 13）. Flemings[19] 指出，局部凝固时间 LST 和枝晶晶 轴间距 d 的关系为： logd = k1 +k2 logLST （14） 式中：d 为晶轴间距，μm；k1、k2 为常数，由合金成 分确定. 从图 13 可以看出，随着结晶器的旋转，金属熔 池深度降低，θ 角度增大，由公式（12），局部凝固速 度增加. 同时，两相区厚度即 X 也随着结晶器旋转 速度的增加而降低. 根据公式（13），局部凝固时间 减少. 根据公式（14），枝晶间距降低，元素偏析 减轻. 在 M2 凝固过程中，由于选分结晶，当 C 元素 与 V、Mo、Cr、W 等合金元素的溶度积达到了析 出的热力学条件时，一次碳化物产生，并在随后的 凝固过程中长大. 当结晶器静止时，二次枝晶间距 较大，元素偏析较重，为碳化物的长大提供了空 间，如图 14（a）所示（PDA 为一次枝晶臂；SDA 为 二次枝晶臂），因此碳化物的尺寸较大；当结晶 器转速增大，枝晶间距变小，元素偏析程度减轻， 碳化物生长的空间受限，碳化物的长大被抑制，如 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 333 3―M6C 1―M2C 2―VC 0 r·min−1 3―M6C 1―M2C 2―VC 19 r·min−1 2 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 2 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95100 0 500 1000 1500 2000 Intensity/(a.u.) Intensity/(a.u.) 20 40 60 80 100 0 500 1000 1500 2000 2500 2θ/(°) 2θ/(°) 图 11    结晶器转速为 0 与 9 r·min−1 时高速钢萃取碳化物粉末的 X 射线衍射图 Fig.11    XRD pattern of carbide powder obtained from high-speed steel at the mold-rotation speed 0 and 9 r·min−1 0 20 40 60 80 100 Carbide type Mass percentage/% MC M6C Mass percentage/% Carbide type 0 r·min−1 19 r·min−1 M2C MC 0 1 2 3 4 5 6 图 12    结晶器转速对碳化物组成的影响 Fig.12    Effect of mold-rotation speed on carbide composition E′ A′ B′ E A B C θ D 图 13    电渣重熔过程金属熔池的界面形状 Fig.13    Interface shape of metal pool during ESR · 524 · 工程科学学报，第 42 卷，第 4 期