一种电子束熔炼制备高性能高速钢的方法与流程

本发明涉及一种电子束熔炼制备高性能高速钢的方法。

背景技术：

高速钢自产生至今，在不断发展的过程中，为了提高其综合性能，适应越来越复杂的工作环境，不断地向其中添加新的合金元素，逐渐向高性能高速钢发展。高性能高速钢由具有高硬度、良好的红硬性，高耐磨性等优异的综合力学性能。在整个机加工刀具行业占有十分重要的主导地位，可以说高速钢的发展可以促进机械加工行业的进步，高性能高速钢的研究对于当代机械加工、现代制造业的发展具有十分重要的意义

高速钢中组织为基体和碳化物，碳化物是高速钢性能最主要的影响因素之一，细小弥散的碳化物由熔炼+锻造得到。愈发复杂的成分导致熔炼高速钢中碳化物粗大、偏聚严重，分布不均匀，影响高速钢的综合性能，目前国内通常采用感应熔炼+电渣重熔及其改进工艺的双联熔炼工艺制备高速钢。感应熔炼+电渣重熔制备可以提高高速钢的纯净度，减小碳化物的厚度及堆积程度，在一定程度优化碳化物，降低偏析，使碳化物分布更均匀弥散，但是其熔炼凝固速度较低，电渣锭夹渣的缺陷会影响高速钢的生产和检验，产生大量的废品，并且在熔炼过程中会使用对人体和环境有害的造渣萤石；感应熔炼+改进式电渣重熔，可以进一步提高电渣重熔效果，更大程度上改善碳化物颗粒粗大、分布不均匀的问题，但是组织中碳化物聚集、不均匀分布的问题仍然存在，影响了高速钢性能的进一步提升。

电子束熔炼技术是在高真空的条件下利用电子束轰击枪发射高能量密度的电子束，并通过调整熔化参数使高能量电子束来轰击材料的表面，电子的动能转化为热能从而熔化材料的工艺。由于电子束熔炼过程中真空度很高，可以避免熔炼过程中杂质的干扰。同时，可以精确控制电子束扫描路径，可以实现对材料熔炼的精准操作。熔炼过程中使用水冷铜坩埚作为载体，在保证熔炼过程中不会被坩埚材料污染的同时，可以在熔炼结束后为高速钢提供更加快的冷却速度，减少钢中组织以及碳化物的长大时间，降低偏析程度，获得组织均匀、碳化物粒度细小、碳化物均匀分布的材料。

技术实现要素：

根据上述提出的目前国内通常采用感应熔炼+电渣重熔及其改进工艺的双联熔炼工艺制备高速钢，感应熔炼+电渣重熔制备可以提高高速钢的纯净度，减小碳化物的厚度及堆积程度，在一定程度优化碳化物，降低偏析，使碳化物分布更均匀弥散，但是其熔炼凝固速度较低，电渣锭夹渣的缺陷会影响高速钢的生产和检验，产生大量的废品，并且在熔炼过程中会使用对人体和环境有害的造渣萤石；感应熔炼+改进式电渣重熔，可以进一步提高电渣重熔效果，更大程度上改善碳化物颗粒粗大、分布不均匀的问题，但是组织中碳化物聚集、不均匀分布的问题仍然存在，影响了高速钢性能的进一步提升的技术问题，而提供一种电子束熔炼制备高性能高速钢的方法。本发明基于电子束技术优异的熔炼性能，以及水冷铜坩埚提供的快速凝固优势，利用电子束熔炼技术熔炼制备m35高速钢，改善了高速钢组织以及碳化物的尺寸及偏析程度，从而提供更优异的组织基础，改善高速钢的使用性能。

本发明采用的技术手段如下：

一种电子束熔炼制备高性能高速钢的方法，包括如下步骤：

s1、制备熔炼原料：将电渣重熔高速钢原料利用线切割工具切割成尺寸为φ50*100mm、大小均等的样品，称取每个样品质量为500g左右，作熔炼原料；

s2、将切割后的样品的表面进行打磨：利用角磨机清除表面氧化物以及污渍杂质；

s3、将打磨后的样品进行清洗，备用；

s4、将清洗后的样品放入烘干箱中80℃彻底烘干；

s5、将烘干处理后的样品置于电子束熔炼炉的水冷铜坩埚中；

s6、对电子束熔炼炉进行清理，对清理后的电子束熔炼炉和电子枪枪体进行真空预抽，达到目标真空度；

s7、达到目标真空度后，对电子枪灯丝进行预热；

s8、电子枪灯丝预热完毕后，对水冷铜坩埚中的样品进行电子束熔炼；

s9、当水冷铜坩埚中的样品完全熔化后，对电子束熔炼炉的熔炼室通氩气、抽真空，得到冷却后的高速钢铸锭。

进一步地，所述步骤s3的具体步骤如下：

将打磨后的样品放在酒精中进行超声波的清洗，每次清洗20分钟后更换酒精，循环三次，除去表面油渍及碎屑。

进一步地，所述步骤s6的具体步骤如下：

加料完毕后，使用吸尘器对电子束熔炼炉炉体进行清理，清除炉壁及坩埚内污染物，关闭电子束熔炼炉炉门，打开电子束设备，对电子束熔炼炉熔炼室和电子枪体进行真空预抽至达到目标真空度：熔炼室的真空度要求为小于5×10^-2pa，电子枪体的真空度要求为小于5×10^-3pa。

进一步地，所述步骤s7的具体步骤如下：

达到目标真空后启动电子枪，将电子枪高压参数设置为30kv，等待高压升至30kv时，检查其高压稳定性，等待稳定后，将高压降至0kv，然后缓慢增加束流，增至120ma后，保持12min，进行电子枪灯丝的预热。

进一步地，所述步骤s8的具体步骤如下：

电子枪灯丝预热完毕后，开始进行高速钢熔炼；电子枪高压升到30kv并稳定后，开启观察窗，以每秒0-5ma/s的速率缓慢增加束流至350ma，束斑大小调至10×10；保持电子枪参数不变，通过控制器，控制电子束在水冷铜坩埚内的扫描路径，对水冷铜坩埚内的样品材料进行熔炼操作。

进一步地，所述步骤s9的具体步骤如下：

当观察到水冷铜坩埚中的样品材料完全熔化后，将束流迅速将至0ma；关闭电子枪高压，增加束流至60ma使高压值为0后关闭电子枪；断开电子枪与熔炼室，对二者在真空条件下冷却1.5h，防止冷却过程中高速钢铸锭的氧化；之后对熔炼室内通氩气，每次在12.5pa气压下通气20分钟，之后打开机械泵以及罗兹泵对熔炼室进行抽真空到10pa，循环三次，加速熔炼室内水冷铜坩埚以及高速钢铸锭的冷却速度，待铸锭冷却之后，打开熔炼室门，取出铸锭。

进一步地，在熔炼高速钢的时候应该注意通过观察水冷铜坩埚内熔池状态，保证对原料熔炼完全，对于质量较大的原料，应该在对其熔炼一次之后，打磨清扫水冷铜坩埚后将其翻转放置于水冷铜坩埚内，进行二次熔炼，保证原料的熔炼完全，且在熔炼完毕之后对束流的降束过程要迅速。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的电子束熔炼制备高性能高速钢的方法，基于电子束技术优异的熔炼性能，以及水冷铜坩埚提供的快速凝固优势，利用电子束熔炼技术熔炼制备m35高速钢，改善了高速钢组织以及碳化物的尺寸及偏析程度，从而提供更优异的组织基础，改善高速钢的使用性能。

2、本发明提供的电子束熔炼制备高性能高速钢的方法，以电渣重熔高速钢为原料，利用电子束熔炼技术对其熔炼，制备得到的高速钢组织均匀，碳化物尺寸细小，分布均匀，碳化物类型主要为mc和m2c型，且部分m2c型碳化物呈现为纤维状，因此可以改善铸态高速钢的组织及优化碳化物，为高速钢的锻造、轧制等热变形提供更好的组织基础。

3、本发明提供的电子束熔炼制备高性能高速钢的方法，实现了电子束熔炼制备m35高速钢，制得的高速钢铸锭冶金质量良好，组织均匀，平均枝晶间距为20μm，组织中碳化物尺寸细小，分布均匀，主要类型为m2c型和mc型，且m2c型碳化物部分以纤维状出现，在热处理过程中更容易分解，提高了铸态高速钢的组织基础。与感应熔炼相结合，有望成为一种短流程，低偏析的可以改善高速钢组织碳化物状态的高速钢双联制备工艺。

综上，应用本发明的技术方案能够解决目前国内通常采用感应熔炼+电渣重熔及其改进工艺的双联熔炼工艺制备高速钢，感应熔炼+电渣重熔制备可以提高高速钢的纯净度，减小碳化物的厚度及堆积程度，在一定程度优化碳化物，降低偏析，使碳化物分布更均匀弥散，但是其熔炼凝固速度较低，电渣锭夹渣的缺陷会影响高速钢的生产和检验，产生大量的废品，并且在熔炼过程中会使用对人体和环境有害的造渣萤石；感应熔炼+改进式电渣重熔，可以进一步提高电渣重熔效果，更大程度上改善碳化物颗粒粗大、分布不均匀的问题，但是组织中碳化物聚集、不均匀分布的问题仍然存在，影响了高速钢性能的进一步提升的问题。

基于上述理由本发明可在钢铁等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中电子束熔炼的示意图。

图中：1、电子枪；2、电子束扫描范围；3、熔炼室壳；4、m35高速钢原料；5、水冷铜坩埚；6、循环冷却水；7、坩埚支架。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种电子束熔炼制备高性能高速钢的方法，包括如下步骤：

一、原料准备

实验原料制备：

1.首先将电渣重熔高速钢原料利用线切割工具切割成约φ50*100mm、大小均等的样品，每个样品质量为500g左右，作熔炼原料；

2.将切割好的样品利用角磨机清除表面氧化物以及污渍杂质，保证熔炼过程中不受表面杂质以及氧化层的影响，保证铸锭元素成分的准确性；

3.将打磨后的试样放在酒精中进行超声波的清洗，每次清洗20分钟后更换酒精，循环三次，除去表面油渍及碎屑等；

4.将清洗之后的样品放入烘干箱中80℃彻底烘干；

5.将处理之后的样品放在电子束熔炼炉的水冷铜坩埚中。

二、电子束熔炼

1.加料完毕后，使用吸尘器对电子束熔炼炉炉体进行清理，清除炉壁及水冷铜坩埚内污染物，关闭电子束熔炼炉炉门，打开电子束设备，对电子束熔炼炉熔炼室和电子枪枪体进行真空预抽至达到目标真空度：熔炼室的真空度要求为小于5×10^-2pa，电子枪体的真空度要求为小于5×10^-3pa。

2.达到目标真空后启动电子枪，将电子枪高压参数设置为30kv，等待高压升至30kv时，检查其高压稳定性，等待稳定后，将高压降到0kv，然后缓慢增加束流，增至120ma后，保持12min，进行电子枪灯丝的预热。

3.预热完毕后，开始进行高速钢熔炼。将电子枪高压升到30kv并稳定后，开启观察窗，以每秒0-5ma/s的速率缓慢增加束流至350ma，束斑大小调至10×10。保持电子枪参数不变，通过控制器，控制电子束在水冷铜坩埚内的扫描路径，对水冷铜坩埚内样品材料进行熔炼操作，观察到水冷铜坩埚内样品材料完全熔化后，将束流迅速将至0ma。

4.关闭电子枪高压，增加束流至60ma使高压值为0后关闭电子枪。

5.断开电子枪与熔炼室，对二者在真空条件下冷却1.5h，防止冷却过程中高速钢铸锭的氧化。之后对熔炼室内通氩气，每次在12.5pa气压下通气20分钟，之后打开机械泵以及罗兹泵对熔炼室进行抽真空到10pa，循环三次，加速熔炼室内水冷铜坩埚以及高速钢铸锭的冷却速度，待铸锭冷却之后，打开熔炼室门，取出铸锭。

本发明方法应该注意的细节为：

在熔炼高速钢的时候应该注意通过观察熔池状态，保证对原料熔炼完全，对于质量较大的原料，应该在对其熔炼一次之后，打磨清扫坩埚后将其翻转放置于坩埚内，进行二次熔炼，保证原料的熔炼完全，且在熔炼完毕之后对束流的降束过程要迅速。

本发明采用如图1所示的设备进行熔炼。电子枪1固定在电子束熔炼炉的熔炼室壳3顶部两侧角，水冷铜坩埚5通过坩埚支架7放置于熔炼室壳3中，水冷铜坩埚5通入循环冷却水6，m35高速钢原料4加入水冷铜坩埚5中，并处于电子束扫描范围2内。

本发明方法实现了电子束熔炼制备m35高速钢，制得的高速钢铸锭冶金质量良好，组织均匀，平均枝晶间距为20μm，组织中碳化物尺寸细小，分布均匀，主要类型为m2c型和mc型，且m2c型碳化物部分以纤维状出现，在热处理过程中更容易分解，提高了铸态高速钢的组织基础。与感应熔炼相结合，有望成为一种短流程，低偏析的可以改善高速钢组织碳化物状态的高速钢双联制备工艺。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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