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高速鋼刀具的熱處理
2019-01-21 00:00:00 來源：高頻感應加熱設備 點擊：2428 喜歡：0
摘要：隨著現(xiàn)代制造技術的發(fā)展，高速鋼刀具在切削加工中被廣泛使用。本文通過對高速鋼刀具材料的化學成分、性能及使用工作條件的闡述 以及加工中對刀具材料的技術要求，經(jīng)過嚴格的熱處理工藝方法如;退火、 淬火、和多次高溫回火才能滿足其技術要求和使用性能。本文參考了一些“金屬材料、工藝學”教材和經(jīng)過多年的實踐摸索總結而成。
關鍵詞：高速鋼 刀具 熱處理
1.引言
1.1高速鋼：它是含有W、 Cr、 V等合金元素較多的合金工具鋼。如w18cr4v是國內使用最為普遍的刀具材料，廣泛的用于制造較為復雜的各種刀具。 如鉆頭、 銑刀、鉸刀、拉刀和其他成型刀具。高速鋼俗稱鋒鋼或風鋼；稱鋒鋼 是因為用高速鋼w18cr4v制造的刀具硬度能達到HRC62-65度非常鋒利。稱為風鋼是針對熱處理操作而言，一般的鋼鐵材料制造的刀具要想滿足技術要求在加熱后需借助油或水中快速冷卻，而高速鋼制造的刀具在有效厚度小于5mm的工件，加熱后在流動的空氣中（風中）就能淬上火，就能獲得相當?shù)挠捕龋?/span>HRC55-60）,因此而得名。
1.2刀具在工作時，由于摩擦作用，勢必引起刀具刃部溫度的升高，當切削速度達到一定量刃部溫度能達到500-600℃。隨著機械制造業(yè)的發(fā)展和制造工藝的成熟，切削加工 速度的提高，刀具刃部的工作溫度還可能增加。這就要求刀具材料不僅具有一般刀具材料的所必需的硬度、強度、耐磨性和一定的韌性，還要求刀具在較高的溫度下具有高硬度、強度和耐磨性（俗稱紅硬性或熱硬性）。而碳素工具鋼和低合金工具鋼在200℃以下可以保持其工作性能，當工具受熱超過250度時，硬度就顯著下降，失去切削效能。高速鋼經(jīng)熱處理以后，其熱硬性好，因此在生產(chǎn)實踐中被廣泛使用。
2.常用刀具材料
2.1高速鋼常用的材料有W18Cr4V、W9Cr4V2、W6MO5Cr4V2、W12Cr4v4Mo等幾種。其中以W18Cr4V鋼產(chǎn)量最多，應用最廣泛，歷時最長。為世界各國所通用。
W18Cr4V鋼的化學成分（%）（表2--1）
C | W | Cr | Mo | V | Mn | Si | S | P |
0.7-0.8 | 17.5-19 | 3.8-4.4 | ≤0.3 | 1.0-1.4 | ≤0.4 | ≤0.4 | ≤0.3 | ≤0.3 |
W18Cr4V鋼刀具的基本性能（表2--2）
硬 度 | 抗彎強度 | 沖擊韌度 | 耐熱性 |
HRA(HRC) | Kg%mm2 | KJ%m2 | 0C |
82-87(62-69) | 350-450 | 98-490 | 540-650 |
2.2W18Cr4V鋼中合金元素的作用。高速鋼的特殊性能 是有其化學成分所決定的（只有經(jīng)過一定的熱處理才能體現(xiàn)出來）。
2.2.1鎢是造成高速鋼熱硬性的主要元素，是強碳化物形成元素如(FeW)6c為主。同時有部分鎢溶入固溶體中。實驗指出：在淬火的W18Cr4V鋼中約有7%的鎢溶入固溶體中，約有11%的鎢存在于未溶的碳化物中，鋼在淬火加熱時，(FeW)6c等碳化物很難溶解，對晶粒的長大起阻礙作用。將鋼加熱到1280℃時，仍保持細小晶粒。因此可以采用較高的淬火溫度以提高奧氏體的合金度，熱處理后獲得優(yōu)良性能。未溶的碳化物具有極高的硬度，增加了鋼的耐磨性。
鎢還強烈降低鋼的 導熱系數(shù)，因此高速鋼加熱和冷卻必須緩慢進行。
2.2.2釩是造成高速鋼熱硬性主要元素之一。
釩是強碳化物形成元素，形成穩(wěn)定的VC，回火過程中VC的細小質點彌散析出造成鋼的二次硬化。
2.2.3鉻是碳化物形成元素
鋼中加入鉻的重要作用是提高淬透性與韌性，能增加鋼的二次硬化效率和熱硬性。
鉻還能提高鋼的抗氧化脫碳和抗腐蝕能力。
2.2.4鋼的含碳量很重要。鋼的二次硬化和熱硬性等基本性能是碳與各碳化物形成元素，形成各種碳化物所造成的。鋼的含碳量很重要的，當含碳量太低時，不能保證形成足夠數(shù)量的復合碳，導致淬火后硬度、熱硬性、耐磨性降低。當含碳量偏高時，碳化物數(shù)量增加，碳和合金元素的濃度增高，使鋼的塑性降低，工藝性能、機械性能下降。
3.刀具熱處理舉例
鉆頭，材料：W18CV4V，直徑18mm,要求HRC63—65,變形要求：小于0.5mm.
鉆頭的生產(chǎn)工藝過程：原材料——鍛造——熱處理（退火）——機械加工——熱處理 （淬火）、回火——精加工（磨削）。
3.1高速鋼的鍛造，其目的不僅僅是改變鋼材的形狀和尺寸，更重要的是通過反復的鐓粗拔長，打碎碳化物。改善碳化物不均勻性使鋼的化學成分更加均勻。
鍛造中的主要缺陷是裂紋，除材料因素外，停鍛溫度過低、冷速快，加熱不足和加熱不均勻都能引起開裂。當停鍛溫度過高（大于1000℃左右）會造成晶粒過分長大，及易引起裂紋。
3.2 高速鋼（鉆頭）的退火
3.2.1高速鋼的退火的目的是降低硬度，便于切削加工，消除鍛造的應力（內、外應力）并為隨后的機械加工、淬火做好組織準備。
3.2.2退火工藝：將工件加墊至870—880℃，保溫4小時，速冷至740—750℃（冷至C曲線的拐彎處）保溫6小時，使奧氏體等溫分解，隨爐冷至500—550℃出爐空冷。
工藝曲線：
3.2.3加熱設備 通常毛坯件的退火在箱式電爐中進行。經(jīng)歷了高溫880℃和長時間的加熱過程中，勢必造成工件的氧化脫碳，為了避免工件的氧化脫碳，對一些表面光潔要求較高的刀具坯料的退火處理選擇在可控氣氛爐中進行。如井式氣體爐火真空爐。實踐中在井式爐中溫度大于600℃滴入煤油或甲醇進行氣體保護。使工件在加熱過程中不增碳也不氧化脫碳，保證工件基本的光潔度和有效尺寸。
退火后的硬度采用布氏硬度計檢測，為HB 207—255。其顯微組織細小的碳化物均勻的分布在索氏體基體上。
4.高速鋼的淬火、回火
4.1高速鋼刀具所要求的硬度、強度、熱硬度和耐磨性是通過正確的淬火和回火之后獲得的，所以淬火回火工藝決定刀具的使用性能和壽命，是熱處理的關鍵。
其工藝：
4.2 淬火工藝操作分析：
高速鋼鉆頭的淬火工藝包括： 預熱（溫度、時間）加熱保溫（溫度、時間）淬火冷卻三部分組成。
淬火預熱：
高速鋼預熱的目的主要是減少溫差和有溫差造成的應力，減少變形、防止開裂，其次是為了防止脫碳和提高生產(chǎn)效率。
高速鋼含有大量的合金元素 導熱性差，塑性較低。如果直接將工件有室溫加熱至1200℃以上，將產(chǎn)生很大的應力，加熱時易引起變形開裂。冷卻時這種有加熱過急造成的應力也增加變形開裂的傾向。為了減少熱應力，實踐中采用分級予熱，如工藝中的450—500℃度預熱，保溫后升直800—850度℃預熱，通過預熱縮短了高溫加熱時間，有利于防止工件的氧化脫碳。
450—500℃在箱式爐中，一般工件預熱2-3分鐘/毫米，800—850℃在鹽浴爐中，一般取8-15秒/毫米。
4.3 淬火加熱、保溫
工件經(jīng)800—850℃在中溫鹽浴爐中預熱后，轉入高溫鹽爐1280℃中加熱，加熱系數(shù)為8—15秒/毫米。根據(jù)有效厚度直徑為￠18mm的直柄鉆頭，在高溫鹽爐的保溫時間為10分鐘。此時鉆頭的內部組織碳和合金元素以最大限度的溶入奧氏體中。同時又不使奧使體晶粒過分長大，為淬火冷卻后滿足技術要求創(chuàng)造了便利條件。、
4.4淬火冷卻
淬火冷卻的目的是獲得必要的組織和性能，但變形和開裂也往往在冷卻時發(fā)生。實踐證明根據(jù)工件的形狀尺寸和技術要求選擇正確的淬火方式至關重要。
根據(jù)工藝直柄鉆頭的冷卻采用油冷，將加熱保溫后的工件，直接淬火機油中，淬火后得到HRC63，組織是M+碳化物+殘留奧氏體。
4.5高速鋼鉆頭的回火
4.5.1淬火以后的高速鋼回火時能產(chǎn)生明顯的二次硬化現(xiàn)象，對鋼的硬度、熱硬性有直接的影響。
回火工藝：
鉆頭的回火工藝在井式回火爐中操作。經(jīng)過三次高溫回火后，不僅消除應力，提高強度、塑性，而且提高了硬度，產(chǎn)生了二次硬化現(xiàn)象。高速鋼的熱硬性也是在回火過程中獲得的，這兩點是高速鋼回火得顯著特點。
4.5.2回火時組織轉變性能影響
回火時鋼中的馬氏體、殘 余奧氏體和碳化物都將發(fā)生變化，一是淬火馬氏體轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體；二是殘余奧氏體在回火冷卻時轉變?yōu)榇慊瘃R氏體。
回火過程中，釩和鎢的合金碳化物析出，使釩、鎢、鉻的含量降低析出，以及細小的粒度彌散分布在馬氏體基體上，使其硬度升高，造成二次硬化。
二次硬化還與回火后冷卻過程中殘留奧氏體轉變?yōu)槎务R氏體有關，有低硬度的殘留奧氏體轉變?yōu)楦哂捕鹊亩务R氏體，也是造成硬度升高的原因。
高速鋼回火時所得到的高硬度，在以后的切削過程中既使切削部位升到600℃左右仍保持高的硬度是因為：1）以vc型為主的釩和鎢碳化物，既彌散析出造成二次硬化，又具有較好的穩(wěn)定性，難以發(fā)生聚集。2）析出碳化物后的馬氏體中，尚有相當高的鎢，使馬氏體難以繼續(xù)分解。由于這兩方面的原因保證了高速鋼的熱硬性。
4.5.3回火工藝分析
在回火工藝中，回火溫度為560±10℃，保溫1小時回火次數(shù)三次。為什么要回火三次呢？這是因為高速鋼淬火后大部分轉變?yōu)轳R氏體，殘留奧氏體量是20—25%，甚至更高。第一次回火后，又有15%左右的殘留奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。還有10%左右的殘留奧氏體，15%左右新轉變未經(jīng)回火的馬氏體，還會產(chǎn)生新的應力，對性能還有一定的影響。為此，要進行二次回火，這時又有5—6%的殘留奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，同樣原因為了使剩余的殘留奧氏體發(fā)生轉變，和使淬火馬氏體轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體并消除應力，需進行第三次回火。經(jīng)過三次回火殘留奧氏體約剩1—3%左右。
W18Cr4V鋼制鉆頭經(jīng)回火后得到：回火馬氏體（含鎢釩的合金馬氏體），細小碳化物顆粒和少量殘留奧氏體，硬度為HRC65。顯微組織為暗黑色的馬氏體分布白亮的碳化物顆粒。經(jīng)檢測符合技術要求。
5.結束語
高速鋼鉆頭經(jīng)論述的熱處理方法的處理檢測合格是成熟可行的熱處理工藝。這里有兩個關鍵的因素：一個是淬火加熱溫度，它是決定能否是高速鋼刀具發(fā)揮應有性能和滿足制造條件，經(jīng)久耐用的關鍵；另一個是淬火變形，零件尺寸、大小、形狀復雜程度、要求精度等級、淬火后變形量都將影響加工質量。因此高速鋼刀具熱處理過程中就是圍繞這兩個關鍵環(huán)節(jié)采取措施
通過了解掌握高速鋼刀具熱處理的過程，在實踐中采用正確的方式方法非常重要。淬火加熱溫度是一個外因通過工件的化學成分、內部組織這個內引起作用。因此，真正掌握高速鋼刀具的稱合組織轉變規(guī)律對性能的影響，才能正確選擇淬火加熱溫度、保溫時間和冷卻方式。才能避免和減少變形，滿足其技術要求，使刀具在使用中發(fā)揮最佳的效能。
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