M2高速钢的凝固组织跟AI元素的关系

M2高速钢属于高碳高合金莱氏体钢，具有高硬度、高耐磨性及良好的红硬性等优点，广泛用于制造高速切削工具、高载荷模具等。然而，在切削高温合金、高强度耐蚀合金、钛合金等难加工材料时，普通高速钢的性能难以满足要求，添加Al和Co等非碳化物形成元素，是提升高速钢硬度和红硬性的重要手段。与Co元素相比，Al元素储量丰富、成本低廉，开发含Al超硬高速钢极具发展前途。       

关于Al在高速钢中的作用，目前研究主要集中于淬回火热处理组织和性能的演变，Al对高速钢凝固过程的影响研究资料并不多，而Al含量变化及其对共晶碳化物的影响则更少。为此，金华洲以应用最为广泛的M2高速钢为对象，研究了Al含量变化对高速钢凝固组织的影响。       

对M2高速钢采用15kg真空感应炉熔炼高速钢，出钢前加入FeSi65脱氧。第一炉钢水直接浇铸至直径40mm的铁模中，得到M2高速钢原始铸锭。第二和第三炉钢水出炉前分别加入0.6%和1.2%的Al块（纯度为99.7%），待熔化、均匀后，浇铸得到含Al钢铸锭。采用OM、TEM、SEM、EBSD、XRD等手段，分析了不同Al加入量（0%，0.6%，1.2%）的M2高速钢的铸态组织，研究了Al对高速钢凝固组织转变特别是共晶碳化物形貌和微观结构的影响规律。

结果表明：    

（1）M2高速钢铸锭基体正常组织为位错马氏体。过量Al（1.2%）加入后，晶粒心部形成大量低位错密度的铁素体和针状碳化物。形成的铁素体不能通过高温热处理消除，对高速钢硬度产生不利影响。    

（2）Al促进M2C共晶碳化物形貌由纤维状转变为片状，二者表现出截然不同的形貌和结构特征：与纤维状M2C相比，片状M2C内部存在微孪晶、层错等晶体缺陷，不同片层之间具有不同的晶体取向，片表面平行于（0002）晶面，呈各向异性的晶体生长特征。    

（3）Al提高共晶碳化物的热稳定性，不利于碳化物的高温断网和球化。过量Al加入后，甚至还会形成大量铁素体，显著降低淬火硬度。因此，高速钢成分设计时，应当控制Al的加入量，避免Al过量对高速钢组织和性能产生的不利影响。