专利名称：一种高速钢坯料的制备方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速钢坯料的连续制备方法及设备，适用于各种截面形状的高速钢坯料的制备。
背景技术：
高速钢是一种重要的工具钢。现有技术中高速钢坯主要是先铸造成锭，再经过电渣重熔、锻造或轧制形成一定截面的坯料。钢锭尺寸越大，其内部的碳化物也越粗大，后续锻轧加工需要的变形量越大，且越容易出现裂纹。而减小钢锭尺寸，不仅生产率降低，而且难以保证必要的锻轧变形量，使用性能不理想。所以，如何获得含有均匀细小碳化物的坯料是高速钢生产中的一个难题。
现有技术中，生产高速钢锭或坯料的方法有铸造、喷射成形和粉末冶金三大类。铸造方法生产高速钢坯料的成本低，是应用最多、最早的方法，但由于其中碳含量和合金元素含量较高，铸造法生产的高速钢坯料的铸态组织中含有粗大的碳化物，导致韧性和塑性都很差，在后续的锻轧工序中容易出现裂纹缺陷。此外，经过锻轧工序，碳化物虽然可以得到细化，但呈带状沿金属流动方向分布，导致各向异性和热处理扭曲变形。采用低温浇注或增大冷却速度或减小截面尺寸或填加变质剂等措施可以在一定程度上达到细化组织、改善碳化物形态和分布的作用，但效果仍不明显。粉末冶金法在细化组织、改善碳化物方面作用显著，但是，必须使用热等静压技术才能成型具体的坯料，导致工艺成本比铸造高速钢高近十倍，实际应用受到了限制。喷射成形方法制备高速钢锭或坯的工艺过程简单，产品性能比铸造高速钢优越，最大坯料直径可达500mm。但是，它需要在成形后进行热加工消除其中的缩松，而且生产效率不高。
发明内容
为解决现有技术生产高速钢坯存在的提高高速钢坯料组织性能与降低生产成本二者不能兼顾的问题，本发明根据凝固理论、现代连铸理论和合金流变学理论，同时利用低温浇注、快速凝固、外力场和添加形核促进剂来直接制备高速钢坯料；提供一种高速钢坯料的连续或半连续制备方法及设备。
本发明的技术方案是
一种高速钢坯料的制备方法，包括如下步骤第一步，将熔炼合格的高速钢熔体浇入一个具有温度调节功能的中间包内进行温度调节，使高速钢熔体温度保持在高于液相线温度1～5℃之间。
所说的将熔炼合格的高速钢熔体首先浇入一个具有温度调节功能的中间包内，目的在于对高速钢熔体进行温度调节、成分均匀化和排除杂质。
所说的中间包内的高速钢熔体保持在高于液相线温度1～5℃的温度，目的在于保证高速钢熔体可顺利进入预结晶器，并有利于形成细小的等轴初生奥氏体晶粒。
第二步，将温度已稳定在高于液相线温度1～5℃的高速钢熔体连续不断地从中间包浇入已预热的预结晶器内，以1～15℃/min的速度连续冷却，同时对高速钢熔体施加搅拌力场或振动力场0.5～5分钟，形成含有10～60％固相的固液混合物，其预结晶器的预热温度为合金固相线温度以下80℃至合金固相线温度以下5℃之间。
所说的以1～15℃/min的速度连续冷却，是通过预结晶器的温度调节装置调节进行控制。温度调节装置同时具有冷却和加热的两种功能，熔体冷速过大时，启动加热功能进行加热，熔体冷速过小时，启动冷却功能进行冷却。这一温度调节装置可以保证预结晶器内高速钢熔体的水平温度梯度小于2℃/cm，垂直温度梯度小于5℃/cm。这种低的温度梯度可以避免逐层凝固，防止奥氏体枝晶生长和形成粗大的共晶莱氏体，促进粒状固相形成。
所说的对高速钢熔体施加的搅拌力场大小为103N/m3～4×105N/m3、频率为50～2000次/分，震动力场的频率为10～500次/分、幅度为1～5mm，其目的是使预结晶器内壁上形成的微小奥氏体晶粒不断被剥落进入熔体内部，充当熔体内部的结晶核心，使固相体积分数的增加主要靠结晶核心的增多，而不是靠晶体的长大，从而促进预结晶器内的熔体以非枝晶方式凝固成细小奥氏体等轴晶。
所说的将预结晶器预热到合金固相线以下80℃至合金固相线温度以下5℃，目的在于防止高速钢熔体浇入预结晶器后温度过低，在预结晶器内壁形成完整的凝固壳，破坏或减弱预结晶器的预结晶作用；或者在于防止温度过高，合金熔体通过预结晶器后不能发生预结晶。
第三步，上述形成的含有10～60％固相的固液混合物通过预结晶器的下口直接进入终结晶器内腔，以表面冷却速度大于80℃/s的速度冷却凝固，然后由拉坯机构连续不断地拉出终结晶器，即得到本发明的一种高速钢坯料。
所说的含有10～60％固相的固液混合物，在金相显微镜下看到的固相形状主要是颗粒状和短条状的晶体，也有不超过20％的蔷薇花瓣状的退化枝晶。
所说的含有10～60％固相的固液混合物通过预结晶器的出口直接进入终结晶器内腔，目的在于节省该固液混合物运输的装置及时间，以减少能量损耗和初生晶粒的长大。
所说的表面冷却速度大于80℃/s，目的在于形成细小的共晶组织。
所说的在终结晶器内凝固，可以是完全凝固成固态坯料，也可以是凝固成凝固厚度大于临界厚度的不完全凝固坯料，其中临界厚度是指能够承受拉坯力而不发生拉断或拉漏的最小厚度。
一种高速钢坯料的制备设备，包括控温中间包、结晶器、拉坯机构。其中，结晶器包括预结晶器和终结晶器，终结晶器固定在支撑板上，预结晶器的内腔下口与终结晶器的内腔上口直接对接，并固定于终结晶器上，接口以耐火材料密封，另将预结晶器的震动器置于支撑板下方。
所说的控温中间包是采用现有连铸技术中的可加热中间包，其加热方式可以是等离子、电磁感应及电弧加热方式。控温中间包置于中间包支架上，其浇口可以与预结晶器内腔上口直接对接，并用耐火材料密封；也可以将其浇口与预结晶器上口分离，采用浸入式水口，并进行保护浇注。
所说的预结晶器是采用中国专利号为03153400.7，发明名称为“一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置”的装置，其震动器改为安装在支撑板下方，其中支撑板置于圆形震动导柱上使其能沿导柱稳定进行震动，将预结晶器内腔下口与终结晶器上口直接对接，以耐火材料密封。
所说的终结晶器是可以采用现有连铸技术中的结晶器，其在200～400℃温度下的导热系数大于380W/m.K，其内腔的截面形状与坯料的截面形状一致，可以是圆形、矩形、方形或多边形，同时终结晶器具有不断供给润滑油的功能，使拉坯过程不易出现拉漏或拉断，供油压力0.1～0.5Mpa，供油量5～50ml/min。
所说的拉坯机构可以是现有技术中的各种拉坯机构。
本发明提供的高速钢坯料制备方法，具有如下优点(1)直接得到供轧制和锻造使用的坯料，不需要开坯。
现有技术中，铸造高速钢一般都是先制成钢锭，经过开坯才能锻轧成要求截面的坯料或产品毛坯。本发明不需铸造钢锭，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内腔截面形状的终结晶器即可。
(2)制备速度快。
由于本发明采用连续或半连续方式进行制备，所以其制备速度比现有的间歇式铸锭速度快得多，生产速度可以达到2m/min。
(3)坯料内部组织均匀细小。
由于预结晶器内高速钢熔体内部温度梯度最大只有2℃/cm，从预结晶器的内壁上剥离形成的游离晶在熔体内部的生长速度缓慢，加之外力场造成的对流作用使固相颗粒产生自旋运动，使奥氏体游离晶的枝晶生长特性得到有效遏止。所以，所得高速钢熔体内初生相以近球形的细小粒状晶为主，分布均匀。此外，由于终结晶器的快速冷却作用，进入终结晶器内的高速钢熔体内剩余的液相在较大过冷度下凝固，共晶凝固组织细小。得到的坯料组织均匀、细小、没有明显的宏观偏析。共晶碳化物平均厚度小于15μm。
(4)坯料的热加工性能好。
由于本发明得到的高速钢坯料铸态组织均匀细小、没有明显的宏观偏析。所以塑性显著提高，在随后的产品热加工成形中，不易出现裂纹和碳化物的带状分布，并可以在较小的锻造比下将碳化物破碎。
(5)控制方便。
通过控制安装在预结晶器外的外力场发生器以及温度调节装置可以方便地调节熔体受到的力场大小、方向以及熔体的冷却速度，达到控制高速钢熔体质量的目的。因此，本发明便于实现自动控制，可以适应规模生产。
(6)料收得率高。
由于本发明可以直接得到规则截面的坯料，不会出现现有技术中钢锭锻轧过程出现的切头尾损失，材料收得率可达95％以上。
(7)成本低。
由于本发明制备的高速钢坯料质量好，材料收得率高，生产效率高，设备投资小，所以制备成本低。此外制备过程省去了电渣重熔，既使能耗降低，又克服了氟化物污染。
图1一种高速钢坯料的制备设备。
图中高速钢熔体1、控温中间包2、中间包支架3、预结晶器4、终结晶器5、高速钢坯料6、震动导柱7、支撑板8、震动器9、拉坯机构10具体实施方式
结合附图对本发明作进一步说明首先将熔炼合格的高速钢熔体1浇入控温中间包2内，使高速钢熔体温度调节到合金液相线温度以上1～5℃，然后将高速钢熔体连续不断地浇入已预热的预结晶器4内，同时开启预结晶器4的搅拌或震动装置以及温度调节装置，促进预结晶器4内壁上形成的奥氏体游离和游粒晶的球形化，以及控制熔体的冷却速度和温度梯度，抑制枝晶生长。到达预结晶器4下口的高速钢固液混合物在重力或附加外力作用下流入终结晶器5内，被迅速冷却凝固。然后由拉坯机构10将高速钢坯料6连续不断地拉出，得到本发明的高速钢坯料。
下面以本发明的方法和设备，介绍W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2高速钢坯料的制备。
1.用真空中频感应电炉熔炼W18Cr4V高速钢。在熔炼高速钢液的同时，将预结晶器预热至1280℃。合金熔炼合格后浇入控温中间包内，当控温中间包内的高速钢熔体温度稳定在1445℃时，将高速钢熔体连续浇入预结晶器内，以1500转/分的速度对高速钢熔体进行水平电磁搅拌，搅拌力场大小为3×105N/m3。搅拌过程中，熔体的冷却速度控制在5～6℃/min的范围，水平温度梯度0.8℃/cm，垂直温度梯度1.0℃/cm。高速钢熔体进入预结晶器内2分钟后启动拉坯机构，含有25％固相的高速钢熔体连续不断地进入终结晶器内凝固，其坯料表面冷却速度90℃/s，形成长100mm，厚60mm的矩形坯料。所得坯料的组织中，共晶组织为细小的莱氏体组织，其中奥氏体以近球形的粒状为主，平均直径20μm左右，其中的碳化物平均厚度8μm，分布不均匀度级别为2级。共晶胞平均尺寸为25μm左右。
2.用真空中频感应电炉熔炼W6Mo5Cr4V2高速钢。在熔炼高速钢液的同时，将预结晶器预热至1225℃。合金熔炼合格后浇入控温中间包内，当中间包内的高速钢熔体温度稳定在1435℃时，将高速钢熔体连续浇入预结晶器内，以300次/分的频率、2mm的振幅对熔体施加一个振动力场，振动过程中，熔体的冷却速度控制在12～13℃/min的范围，水平温度梯度1.8℃/cm，垂直温度梯度4℃/cm。振动1分钟后启动拉坯机构，含有30％固相的高速钢熔体连续不断地进入终结晶器内凝固，其坯料表面冷却速度100℃/s，形成长100mm，厚80mm的矩形坯料。所得坯料的组织中初生碳化物以近球形的粒状为主，平均直径10μm，分布不均匀度级别为2级。共晶胞平均尺寸为20μm。
一种高速钢坯料的制备设备，包括控温中间包2、预结晶器4、终结晶器5、拉坯机构10。其中，终结晶器5固定在支撑板8上，预结晶器4的内腔下口与终结晶器5的内腔上口直接对接，并固定于终结晶器5上，接口以耐火材料密封，另将预结晶器4的震动器9置于支撑板8下方，支撑板8置于圆形震动导柱7上使其能沿导柱稳定进行震动。
权利要求
1.一种高速钢坯料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤步骤1，将熔炼合格的高速钢熔体浇入一个具有温度调节功能的中间包内进行温度调节，使高速钢熔体温度保持在高于液相线温度1～5℃之间；步骤2，将温度已稳定在高于液相线1～5℃的高速钢熔体连续不断地浇入已预热的预结晶器内，以1～15℃/min的速度连续冷却，同时对高速钢熔体施加搅拌或振动力场0.5～5分钟，形成含有10～60％固相的固液混合物，其预结晶器的预热温度为合金固相线以下80℃至合金固相线温度以下5℃之间；步骤3，上述形成的含有10～60％固相的固液混合物通过预结晶器的下口直接进入终结晶器内腔，以表面冷却速度大于80℃/s的速度冷却凝固，然后由拉坯机构连续不断地拉出终结晶器，即得到了本发明的一种高速钢坯料；
2.一种高速钢坯料的制备设备，包括控温中间包、结晶器、拉坯机构，其特征在于，结晶器包括预结晶器(4)和终结晶器(5)；终结晶器(5)固定在支撑板(8)上，预结晶器(4)的内腔下口与终结晶器(5)的内腔上口直接对接，并固定于终结晶器(5)上，接口以耐火材料密封，另将预结晶器(4)的震动器(9)置于支撑板(8)下方。
全文摘要
一种高速钢坯料的制备方法及设备，首先将熔炼合格的高速钢熔体(1)浇入控温中间包(2)内，调节熔体温度到合金液相线温度以上1～ 5℃，然后将高速钢熔体连续浇入已预热的预结晶器(4)内，其预热温度为合金固相线温度以下5～80℃；同时开启预结晶器的搅拌、震动及温度调节装置，促进预结晶器内壁上形成的奥氏体晶粒游离和游粒晶的球形化，以及控制熔体的冷却速度和温度梯度，抑制枝晶生长。到达预结晶器(4)下口的高速钢固液混合物在重力或附加外力作用下流入终结晶器(5)内，被迅速冷却凝固。然后由拉坯机构(10)将高速钢坯料(6)连续不断地拉出，得到高速钢坯料。该方法所产的钢坯组织性能优良，而生产成本较低。
文档编号B22D11/11GK1718315SQ20051001221
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月18日 优先权日2005年7月18日
发明者邢书明, 戴安国, 邢文斌, 和优锋, 张励忠 申请人:北京交通大学