高速工具钢中磷和硫含量的控制方案

图10-7 磷对W18Cr4V钢室温抗弯强度的影响

图10-8 硫对W6Mo5Cr4V2钢高温热塑性的影响

1.磷、硫对高速钢性能的影响

磷、硫是高速钢中有害杂质元素，能显著降低钢的韧性，对使用性能带来不利的影响。

（1）磷元素对高速钢性能的影响 图10-7示出磷对W18Cr4V钢室温抗弯强度的影响。抗弯强度代表钢的韧性特征，高的抗弯强度，有利于提高刀具的使用寿命。从图中可知：随着钢中含磷量的升高，抗弯强度明显下降。为了提高抗弯强度，应尽量降低含磷量。由于冶炼过程脱磷比较困难，加上原材料和返回料中含磷量比较高等原因，当前用双联法生产的高速钢中，含磷量只能控制在0.025%（质量分数，下同）左右。对于硬度高、韧性较差的超硬高速钢，为了得到较好的韧性，希望将含磷量控制在0.010%左右。为此，必须严格选用低磷原料（P的质量分数＜0.015%），采取脱磷工艺冶炼。

（2）硫元素对高速钢性能的影响 图10-8示出硫对W6Mo5Cr4V2钢高温热塑性的影响。从图中数据可知：随着钢中含硫量的升高，钢的高温热塑性明显下降。高温热塑性对高速钢的热加工，以及制造钻具时的热成形工艺具有重要的意义。为了改善热塑性，提高成材率，希望尽可能降低含硫量。通过控制原材料中含硫量和脱硫工艺措施后，双联法生产的高速钢中，含硫量（质量分数）可以降低到0.010%左右。

2.中频感应炉冶炼高速钢氧化脱磷工艺操作要点

（1）氧化脱磷工艺概况 在感应炉内利用氧化渣中的FeO，将钢液中P氧化生成P₂O₅。然后，P₂O₅同炉渣中CaO结合形成稳定的磷酸钙3CaO-P₂O₅。除渣后即达到脱磷的目的。脱磷过程要控制的条件是：钢液温度宜低不宜高；渣量大，碱度高；钢液含硅量低等。满足这些条件就可以取得良好的脱磷效果。

（2）氧化渣的组成 脱磷用氧化渣的组成（质量分数）为：CaO=40%～60%、CaF₂=15%～20%、FeO=12%～16%。渣量约为钢液量的3%～5%。氧化渣分别烘烤后备用。

（3）炉料的组成 冶炼采用部分返回料工艺，其中高速钢返回料占60%～80%，新料占20%～40%。返回料的化学成分应当与冶炼钢号相同，即为本钢种返回料。

（4）高速钢氧化脱磷的操作程序500kg中频感应炉部分返回料冶炼高速钢，氧化脱磷的操作程序如下：

1）装料。坩埚底部先加入约1/5渣量的氧化渣；然后依次装入本钢种返回料、高碳铬铁、钨铁和钼铁等；通电加热熔化；熔清前加入少量氧化渣料。

2）熔清后调温和调渣。熔清后降低加热功率，维持钢温在1500℃左右。加入第二批氧化渣，每次渣量约为总渣量的1/5。点渣搅拌钢液促进脱磷，约3～5min后除渣。再造氧化渣依次操作，重复进行2～3次后，除渣结束脱磷操作。

3）钢液的精炼与合金化。除去氧化渣，提高钢液温度另造还原渣。用硅钙粉进行扩散脱氧。根据分析结果，加钒铁等调整成分。最后含铝钢加铝合金化。终脱氧出钢完成冶炼。

（5）高速钢氧化脱磷的效果 高速工具钢氧化脱磷效果见表10-12。从表中数据可知：氧化脱磷的平均脱磷率可以达到20%左右。高速钢氧化脱磷率受诸多因素影响，当脱磷条件控制得理想时，脱磷率可以达到30%左右。

表10-12 高速工具钢氧化脱磷效果

（6）影响高速钢氧化脱磷效果的工艺因素 为了取得良好的脱磷效果，在高速钢氧化脱磷操作时，应当注意控制下列工艺参数和条件：(www.xing528.com)

1）钢液含硅量的控制。进行氧化脱磷时，随着钢液含硅量升高，脱磷率下降。硅不利于脱磷反应，其含量（质量分数）应控制在0.15%以下。

2）脱磷渣中CaO与FeO含量。脱磷率随渣中FeO含量增加而升高，同时当渣中（CaO）∶（FeO）=3.5时，脱磷率最高。因此，FeO含量过高引起渣CaO过多，炉渣粘度升高，反而降低了脱磷效果。为此，渣中FeO含量（质量分数）应控制在15%左右。

3）脱磷时钢液温度的控制。脱磷反应是强放热反应，升高温度不利于脱磷。但是，在感应炉内进行氧化脱磷时，需要提高炉渣的流动性、降低其粘度，才能顺利进行脱磷反应。因此，必须将钢液温度维持在1450～1550℃，脱磷效果才能达到最佳值。

3.沉淀脱磷在高速钢中的应用

中频感应炉冶炼W6Mo5Cr4V2钢的工业性生产试验时，利用铝镁合金（其元素质量分数：Mg=60%、Al=40%）进行沉淀脱磷，取得了较好的效果。

试验在1t中频感应炉内进行。钢液终脱氧后，出钢过程中将铝镁合金块投入包中进行脱磷。试验结果表明，钢中含磷量（质量分数）从0.043%下降到0.030%，脱磷率达到30.2%。铝镁合金的用量（质量分数）达到3%～5%。显然，这不仅是脱磷，而同时是加铝。若按照质量分数为4%的铝镁合金加入量计算，扣除铝的烧损量之后，带入钢中的铝量（质量分数）为0.80%～1.20%。这正好符合W6Mo5Cr4V2Al含铝量。因此，当冶炼W6Mo5Cr4V2Al高速钢时，应通过铝镁合金向钢中加铝，既进行了铝合金化，又达到了脱磷的效果。

采用铝镁合金进行沉淀脱磷时，钢液化学成分无变化。表10-13列出脱磷前后W6Mo5Cr4V2钢的化学成分变化。

表10-13 脱磷前后W6Mo5Cr4V2钢化学成分的变化

综上所述，利用含钙、镁、钡对磷亲和力较强的磷化物生成元素，对高合金钢进行沉淀脱磷，是很有发展前途的感应炉脱磷工艺。结合氧化脱磷工艺的扩大应用，为感应炉增添了新的精炼能力。

4.高速钢的脱硫方法

（1）熔化期还原渣脱硫 中频感应炉冶炼时，装料前在坩埚底部加入占钢液重量1%～2%的碱性脱硫渣。渣成分（质量分数）由70%～80%石灰和20%～30%萤石组成。然后装入返回料、铬铁、钼铁、钨铁等炉料。熔化过程成渣后，边熔化边脱硫。熔清后除去熔渣完成脱硫。高速钢通过熔化期底渣脱硫，脱硫率可以达到20%～40%，熔清钢液最低含硫量（质量分数）约0.015%。

（2）钢液的沉淀脱硫 中频感应炉全新料冶炼W18Cr4V钢时，终脱氧后出钢前向炉中加入约质量分数为0.20%混合稀土合金，能使含硫量（质量分数）从0.012%下降到0.008%。脱硫率可以达到约30%左右。

表10-14列出W18Cr4V高速钢混合稀土合金沉淀脱硫的效果。即用锭模内吊挂混合稀土合金棒下注法浇注280kg钢锭时的沉淀脱硫效果。

表10-14 W18Cr4V高速钢混合稀土合金沉淀脱硫的效果

（3）电渣重熔降低钢中含硫量 电渣重熔是降低高速钢含硫量的有效方法。采用CaF₂-Al₂O₃-CaO渣系重熔，能使高速钢脱硫率达到30%～40%。最低含硫量（质量分数）达到0.005%的水平。

综上所述，通过以上脱硫措施，用双联法冶炼高速钢，可使钢中含硫量（质量分数）达到小于0.005%水平。