高速钢简介

高速工具钢概念及特点化学成分及分类热处理工艺显微组织化学元素的作用性能及应用本次课程的主要的内容如下：粉末冶金高速钢定义：工具钢的一类，以钨、钼、铬、钒，有时还有钴为主要合金元素的高碳高合金莱氏体钢，通常用作高速切削工具，简称高速钢,俗称锋钢。特点：合金度高；刃部在650℃时实际硬度仍高于HRC50，具有优良的切削性能；高耐磨性、高硬度、高耐热性；高速工具钢返回化学成分：主要元素：C，W，Mo，Cr，V，Co；其中C%≈0.7%∽1.65%，钢中含W、Mo、Cr、V、Co等合金元素,其总量超过10%。主要高速钢化学成分w/%分类：根据钢中主要化学成分，高速钢可分成三类：即钨系高速钢、钼系高速钢和钨钼系高速钢。其中钨系的W18Cr4V和钨钼系的W6Mo5Cr4V2应用最普遍，属于通用型高速钢；而高碳高钒、高钒高钴超硬高速钢属于特殊高性能高速钢。其他分类方法：返回高速钢的热处理主要包括：锻轧，退火，淬火，多次回火⒈锻轧：由于钢含碳量较高,而且含有大量合金元素,其铸态坯料组织中具有鱼骨胳状碳化物。只能用锻轧的方法将其打碎,并使其分布均匀。⒉退火：■高速钢经锻轧后，钢材需要退火。消除内应力，降低硬度，便于切削加工，为淬火做组织准备。可采用一般退火或等温退火；■高速钢的Ac1在820-860℃范围，故退火温度为870-880℃，保温2-3h；■大部分合金碳化物未溶入奥氏体，退火时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易转变成粒状珠光体和剩余碳化物。一般冷却速度≤30℃/h，冷到600℃出炉空冷。退火后W18Cr4V钢中碳化物体积百分数约为30％，其中M6C为16-19％，M23C6为9％，MC为1.5%-2%。组织为S+K。⒊淬火：■淬火后获得了高合金的马氏体，具有高的抗回火稳定性，在高温回火时析出弥散的合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。图3为W18Cr4V钢的典型热处理淬火与回火工艺图3W18Cr4V钢的典型热处理淬火与回火工艺M23C6900℃开始溶解，1090℃全部溶解；M6C1037℃开始溶解，1250℃以上溶解量逐惭减小；MC1100℃开始溶解，溶解速度比M6C缓慢。1280℃时，奥氏体中：C0.5%，W7-8%，Cr4%，V0.6-0.8%；剩余K总量为9-10%：其中，M6C7.5%-9.0%，MC1.0-1.5%■采用一次或两次预热高合金的高速钢导热性差，为防止工件加热时变形、开裂和缩短加热的保温时间以减少脱碳，往往采用一次或两次预热。■淬火温度高为使奥氏体中合金度含量较高，应尽可能提高淬火温度至晶界熔化温度偏下（晶粒仍然很细，9级）。■采用分级淬火一般油淬空冷（组织为：M+Ar20-25%+9-10%未熔K）；对细长件和薄片件采用分级淬火；（先在盐浴或碱浴中的保温时间足够长，使过冷奥氏体等温转变有高强韧性的下贝氏体组织，然后取出空冷。）为了减少工件变形，采用一次或多次分级淬火。对于大型复杂刃具，可采用等温淬火，以减少变形并提高韧性。图4W18Cr4V钢的的正常淬火组织图5W18Cr4V钢的过烧组织图6W18Cr4V钢的的退火组织•分级淬火：将钢加热保温后快速冷却到Ms稍上的温度保温一段时间（发生贝氏体转变之前）以空冷的速度进入马氏体转变区，进行马氏体转变的方法。•等温淬火：将钢加热保温后快速冷却到Ms稍上的温度保温使其转变为下贝氏体的方法。•双介质淬火：将钢加热保温后先用水快速冷却到等温转变曲线鼻尖下边的奥氏体亚稳定区后转入油中冷却的方法。⒋回火：■回火目的是从M中析出弥散M2C和MC碳化物，产生二次硬化效应和消除残余奥氏体和内应力。■回火温度高是为了提高二次硬化效果；回火次数多一方面增强二次硬化效果，另一方面（主要）是为了利用二次淬火来降低残余奥氏体的含量，也间接地提高了性能。见图7~9。（多次回火后的组织是回火M+碳化物）图7W18Cr4V钢奥氏体成分与淬火T的关系图8W18Cr4V钢回火时的硬度变化图9W18Cr4V钢回火次数与残余奥氏体量与性能的关系为改善和提高高速钢刃具的切削效率和耐用度，广泛采用表面强化方法，通过表面化学热处理或在刃具表面覆层。高速钢工件表面化学热处理有表面氮化（如辉光离子氮化、气体软N化）、表面硫氮共渗或硫氮硼等多元共渗、蒸气处理等。这些处理温度均不超过560℃，工件的显微组织和性能均未改变。工件表面覆层是物理气相沉积(PVD法)在工件表面沉积TiC或TiN覆层，具有高硬度、优异的耐磨性、抗粘着性扣抗咬合性，显著提高工件使用寿命。PVD是英文PhysicalVaporDeposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。返回组织：高速钢中的组成相和碳化物不均匀性1、高速钢中的组成相：高速钢的平衡组织：合金F和合金K合金元素：W，Mo，Cr，V，Co合金K：M6C型：W，Mo的K，溶解一定的Cr,V,CoM23C6型：Cr的K,（Cr,Fe,Mo,W,V）23C6MC型：V的K，溶解少量W，Mo,Cr在热处理过程中还存在M2C型K：W，Mo的K，W2C，Mo2C2．高速钢的铸态组织：高速钢属于高合金莱氏体钢，其相图较复杂。图9为Fe-W-Cr-C系的变温截面。当W18Cr4V钢凝固时，发生下列反应：开始结晶时析出δ(高温α)固溶体；冷却到1400℃发生L+δ→γ的包晶反应；在1345℃附近很窄的温度范围进行L+δ→γ+M6C的包共晶反应；在1330℃-1300℃之间发生L→γ+M6C的共晶反应，一直到完全凝固，形成由奥氏体和碳化物组成的共晶莱氏体，存在于奥氏体晶之间，其中碳化物呈鱼骨状，骨络之间为γ；凝固后继续冷却时，由奥氏体中析出过共析合金碳化物，在870-800℃间发生γ+M6C→α的包析反应；冷到800℃左右发生γ→α+M6C+Fe3C共析反应。实际上W18Cr4V钢中在共晶结晶时还出现VC，并在随后冷却时，由奥氏体中还析出VC和M23C6型碳化物。在低温下未发现Fe3C存在。图10Fe-W-Cr-C系的变温截面图11W18Cr4V钢的铸态组织在实际铸锭凝固时的冷却速度大于平衡冷却，其包晶反应不能进行完毕，仍有部分δ相被保留下来，在继续冷却时发生共析分解δ→γ+M6C，随后γ相再发生共析反应。这种转变产物金相形态呈黑色．称为“黑色组织”。γ相的共析反应也可能破抑制而过冷到低温，转变为马氏体和残留奥氏体，形成“白亮组织”。因此铸态组织有大量鱼骨状共晶莱氏体和黑色组织（屈氏体）与白色组织（马氏体和残余奥氏体）。3．高速钢中碳化物的不均匀性与改善途径：铸态高速钢组织中粗大的共晶碳化物必须经过锻轧将其破碎，使其尽可能成为均匀分布的颗粒状碳化物；在锻轧变形量不足时，仍存在粗的碳化物网和密集的带状碳化物，这种碳化物的不均匀性对高速钢刀具的质量和使用寿命有极大影响。淬火加热时，碳化物稀少区奥氏体晶粒易粗化，淬火开裂倾向大，碳化物密集区脆性大，易引起崩刃。粗大碳化物在淬火加热时溶解少，使附近奥氏体合金度低，热处理后刃具的硬度、热硬性和耐磨性都降低，抗弯强度、韧性指标因碳化物不均匀而降低。因此，碳化物的均匀分布程度是考核高速钢的主要技术质量指标之一。改善碳化物不均匀性的措施有：•采用200-300kg小锭型，使钢锭凝固快，减少结晶时宏观偏析，莱氏体共晶也细小；•采用扁锭加快凝固，一般用630kg型，减少集中偏析和使莱氏体共晶细小；•增大钢锭锻压比，反复拉拔和镦粗；•大尺寸钢材可采用电渣重熔．钢液在水冷结晶器中径向结晶，莱氏体共晶细小；•粉末冶金方法。返回化学元素的作用：C：■机制：形成K，固溶强化。碳对高速钢的硬度影响很大，是主要的强化元素；C%提高，淬火回火后HRC和热硬性提高。■不利因素：含碳量的增高使钢中碳化物总量↑，碳化物不均匀性加重→→锻轧淬火后残余奥氏体量↑→→多次回火固相线温度↓，使淬火温度↓对于钨系高速钢，C%↑使钢的抗弯强度和韧性↓，对钨钼系影响不大W：存在形式：M6C是共晶碳化物的主要组成，它还以二次碳化物由奥氏体析出。作用：主要是提高热硬性；可阻止奥氏体晶粒粒长大，改善钢的韧性；提高马氏体的回火稳定性；在560℃回火时析出W2C，产生弥散强化。Mo：同W一样,主要是提高热硬性；钨和钼同族,可相互取代,1%Mo可代替1.5%W；含钼共晶碳化物由粗鱼骨状变成细鸟巢状，减少碳化物的析出；锻轧后含钼M6C颗粒较细小。★钨系、钼系、钨钼系的性能比较：钼系高速钢Mo18Cr4V的热硬性逊于W系；热处理时，钼系脱碳的可能性大；钼系高速钢的抗弯强度和冲击韧性远高于W系；钨钼系高速钢W6Mo5Cr4V2具有钨系和钼系的优点,又克服两者的缺点。Cr：存在形式：主要存在M23C6，也溶于M6C和MC中作用：主要起提高钢的淬透性；可提高钢的耐蚀性和抗氧化能力，改善切削能力。V：存在形式：主要以VC存在，也溶于其他类型碳化物中作用：主要提高钢的耐磨性和对提高钢的热硬性起重要作用；VC部分溶于A中，淬火后M抗回火稳定性↑；回火时析出VC产生二次硬化。Co：作用：主要提高钢的热硬性；提高马氏体的回火稳定性；钴在钢中为非碳化物形成元素，淬火加热时溶于A，淬火后溶于M中，减慢合金K的析出与聚集长大，加强二次硬化效果（提高晶界开始熔化温度）。缺点：降低韧性，增加脱C倾向。有5%、8%、12%三个级别。微合金元素的作用：氮：增加M6C的稳定性，减少聚集倾向；细化A晶粒，晶界熔化温度上升，提高淬火和合金元素的溶解量，从而使淬火回火硬度和热硬性提高，同时提高了抗弯强度和挠度，改善韧性。稀土元素：降低硫在晶界的偏聚，提高热塑性。返回性能因为高速钢最重要的用途是制造切削工具，故切削性能是其最重要的物理性能。在高速钢的许多物理和力学性能中下列三种性能对切削能力起最主要作用：■热硬性；■与工件接触的刀具部分的抗磨损能力――耐磨性；■工具的强度和塑性的综合性能――韧性。其他性能：■抗压强度高；■变形小：高速钢经常在盐浴油或空气中淬火，因而其变形相对较小；■高导热性：高导热性能使在工作表面产生的热量消散在工具内部；加入5%的Co可以提高导热性；■比重较高：所有高速钢的比重都比1%碳的碳素工具钢高。钨系高速钢有最大比重，而钼系高速钢较标准的T1钢轻大约10%。比重也称相对密度，是物质的密度与取作标准的某一物质(例如在其最大密度的温度4°C时的纯水)密度之比(两者的密度都是在空气中称重而取得的)。T1钨系高速钢，含碳量0.7%-0.8%，耐磨性好，高温塑性比钼系差。应用W18Cr4V：具有良好的热硬性；在600℃时，仍具有较高的硬度和较好的切削性，被磨削加工性能好，淬火过热敏感性小，比合金工具钢的耐热性能高。但由于其碳化物较粗大，强度和韧性随材料的尺寸增大而下降。适用于制造一般刀具（如车刀、铣刀、齿轮刀具），还可以制造高温下工作的轴承、弹簧等耐磨、耐高温的零件），不适合制造薄刃或较大的刀具。W6Mo5Cr4V2：具有良好的热硬性和韧性；淬火后表面硬度可达64～66HRC；是含钼低钨高速钢，成本较低；用量仅次于W18Cr4V，适用于制造钻头、丝锥、板牙、铣刀等。返回粉末冶金制取金属粉末(添加或不添加非金属粉末)，实施成形和烧结，制成材料或制品的加工方法。粉末冶金生产流程如下：粉末冶金高速钢是应用高压水或氮气雾化制取高速钢粉末而制造的高速钢；具有良好的热加工性能和磨削性能，与相同成分的高速钢相比，有较均匀的硬度、强度和韧性，提高高速钢刃具的使用寿命。高速钢采用粉末冶金，避免了熔炼法生产所造成的碳化物偏析而引起机械性能降低和热处理变形。目前生产粉末冶金高速钢有两种基本生产工艺，一种是采用高压水雾化制粉、压制和烧结工艺；另一种是氮气雾化制粉、装包套和热的静压成坯。