高速工具鋼的金相組織及檢驗 |
| 高速工具鋼的金相組織及檢驗 一、高速工具鋼的分類及其化學成分 高速工具鋼以能進行高速切削而得名。刀具在切削金屬時，由于摩擦的作用，引起刃部溫度上升，刃部溫度可高達500~600℃，碳素工具鋼、合金工具鋼刀具在溫度到250~300℃時，硬度將顯著下降。而高速工具鋼具有較高的硬度、耐磨性和紅硬性，同時也具有足夠的強度和韌性。主要特點是在高速切削時，刃部受熱至600℃左右，其硬度仍未明顯降低，將制成的刀具在600℃加熱4h后，冷至室溫，其硬度仍大于62HRC。 隨著切削加工的切削速度和走刀量不斷提高，以及高硬度、高強度新材料的應(yīng)用愈來愈多，對刀具的要求不斷提高，導致出現(xiàn)了超硬高速鋼（68-70HRC）。 .jpg) 高速工具鋼的成分主要有C、W、Cr、V、Mo、Co. Al等。由于含合金元素量較多，所以熱處理時能獲得高的淬透性和紅硬性。根據(jù)所含合金元素的不同，高速工具鋼可以分為以下幾類：1．W系高速鋼(如W18Cr4V) W系高速鋼是應(yīng)用最早和使用較廣的鋼種，也是各類高速鋼的基本成分，含W量的質(zhì)量分數(shù)在12％~18％之間。W是提高高速鋼紅硬性的主要元素，也是強碳化物形成元素，能形成多種碳化物，淬火加熱時，部分W的碳化物不易溶解，從而對晶拉長大起阻礙作用，使鋼加熱至1280℃，仍然保持細小晶粒。該鋼淬火溫度范圍較寬，不易過熱，回火過程中，析出鎢的碳化物，彌散分布于馬氏體基體上，與釩的碳化物一起造成鋼的二次硬化效應(yīng)。 W系高速鋼的缺點是碳化物不均勻度較為嚴重，熱塑性差，不宜于熱塑成形，同時它的合金元素含量較高，所以不夠經(jīng)濟，國外已基本不生產(chǎn)此類鋼，國內(nèi)近年來對W系高速鋼的使用也大幅度降低，代之是W-Mo系高速鋼的大量采用。 2．W-Mo系高速鋼(如W6Mo5Cr4V2) Mo也是碳化物形成元素，在鋼中能形成多種碳化物，它在鋼中的作用與W相似。Mo能提高鋼的淬透性和紅硬性，能夠提高鋼的強度，造成二次硬化，所以可用Mo代替W，按質(zhì)量百分數(shù)計算，1％Mo可代替2％W。 Mo能降低高速鋼結(jié)晶時的包晶反應(yīng)溫度，從而使鑄態(tài)組織中萊氏體較W系高速鋼細小。經(jīng)鍛造后碳化物不均勻度較好。在相同條件下，不均勻度比W系高速鋼小一級，淬火回火后強度可提高15~20％，沖擊值提高2倍。同時其相比密度比W系高速鋼低6％，價格也較低。 Mo的主要碳化物(Fe,Mo)6C溶解于奧氏體中的溫度比(Fe, W)6C為低，所以淬火時晶粒易于長大，過熱敏感性高，故淬火加熱溫度范圍較窄。 含Mo的高速鋼退火時脫碳傾向較大，而且由于含有較多的V，鋼的磨削性能較差。 3．高碳高釩高速鋼(如W6MoCr4V3) V是造成高速鋼紅硬性主要元素之一，也是強碳化物形成元素，能夠形成穩(wěn)定的VC，回火過程中，VC以細小質(zhì)點彌散析出，產(chǎn)生高速鋼的二次硬化，其作用比W還強。此鋼具有高的硬度、紅硬性和耐磨性，在提高V的同時，必須相應(yīng)提高C的含量，以組成V的碳化物。否則基體含碳量過低，在高溫加熱時出現(xiàn)鐵素體組織。由于VC具有較高的硬度和耐磨性，所以鋼的可磨削性能差，如制造精密刀具其粗糙度將受影響。所以這類鋼一般只用于制造形狀簡單的刀具。 4. Co高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8) Co是非碳化物形成元素，在高速鋼中絕大部分溶人固溶體中，增加其合金度及提高紅硬性。Co使鋼在回火過程中析出彌散度較大的碳化物，提高了回火后的硬度。其硬度可達68~70HRC，被稱為超硬高速鋼。切削能力及紅硬性大大提高。適合于制造加工硬材料、高強度、高韌性材料和在冷卻條件不良情況下加工的切削刀具。 5. Al高速鋼（如W10Mo4Cr4V3Al） Al不是碳化物形成元素，它在鋼中的作用尚未完全清楚。試驗表明，該鋼淬火-回火后的硬度可達67~69HRC。鋼的高硬度和高紅硬性主要是該鋼含碳量高（ωc=1.3％左右），A1的加入改善了鋼的脆性，并使刀具切削時不產(chǎn)生鋼屑粘刀現(xiàn)象。該鋼的缺點是脫碳傾向大，磨削性能差。 二、高速工具鋼的顯微組織 （一）鑄態(tài)組織 高速鋼屬萊氏體鋼類型，高速鋼鑄錠冷卻較快，合金元素來不及擴散，一般得不到平衡組織，在包晶反應(yīng)區(qū)包晶轉(zhuǎn)變不完全，保留δ相析出細小的碳化物，成為“黑色組織”，它是馬氏休與托氏體的混合組織。在γ相區(qū)未進行共析轉(zhuǎn)變，成為“白色組織”，主要是以馬氏體組成。δ相過冷與液相反應(yīng)形成共晶萊氏體，形態(tài)為骨骼狀。 骨骼狀萊氏體的粗細影響碳化物均勻度。較細小的萊氏體經(jīng)鍛軋、退火后可獲得較均勻的碳化物。 （二）退火組織 退火狀態(tài)的顯微組織為索氏體和碳化物。經(jīng)鍛軋后，共晶碳化物呈帶狀和變形的網(wǎng)狀分布。共晶碳化物嚴重不均勻，將降低高速鋼的熱塑性，熱處理過程中易造成過熱及開裂，大塊碳化物附近含碳量較高，容易造成熱處理過熱。  退火組織要進行脫碳層深度測定。實際生產(chǎn)中鍛軋材仍不能直接加工刀具，必須按單件刀具尺寸進行反復鐓拔。既改善鋼的碳化物不均勻度，又改善流線方向，以增加強度。改鍛后的組織評定用JB4290《高速鋼鍛件技術(shù)條件》進行取樣和評級。 （三）淬火組織 高速鋼淬火后的顯微組織為馬氏體、碳化物及體積分數(shù)為30％左右殘留奧氏體。馬氏體為隱針狀，侵蝕后呈白色。淬火晶粒度大小是檢驗熱處理質(zhì)量的重要標志。加熱溫度高，晶粒長大，晶粒邊界的碳化物熔化析出，會有網(wǎng)狀組織及次生萊氏體。淬火溫度低，則形成晶粒度小，有時看不清晶界，說明是淬火加熱不足，圖6-15、6-16、6-17為W18Cr4V鋼淬火組織；圖6-18、6-19為W6Mo5Cr4V2鋼淬火組織。 1．過熱組織檢驗 以晶粒邊界碳化物的溶解程度和在冷卻過程中析出網(wǎng)狀程度來確定過熱程度。鎢鑰系高速鋼比鎢系高速鋼過熱敏感性大，含碳高的鋼也容易過熱。 2．過燒組織檢驗 出現(xiàn)鑄態(tài)黑色組織及共晶萊氏體，使刀具嚴重變形和脆化。過燒與過熱的主要區(qū)別是，過燒組織主要出現(xiàn)次生萊氏體，萊氏體呈細小骨骼狀存在于晶界上。 圖6-15 W18Cr4V 1260℃加熱淬火組織 （500×） 圖6-16 W18Cr4V 1280℃加熱淬火組織 （500×） （四）回火組織 回火后顯微組織為回火馬氏體，碳化物和殘留奧氏體。 回火程度檢驗 由于高速鋼淬火后有大量殘留奧氏體，通過回火要使殘留奧氏體轉(zhuǎn)變完全，應(yīng)進行三次回火。正常的回火組織，是侵蝕后不能觀察到奧氏體晶粒，說明是回火充分，圖6-20、6-21為正常回火組織，圖6-22為W18Cr4V鋼回火不充分組織。  圖6-17 W18Cr4V 1300℃加熱淬火組織 （500×） 圖6-18 W6Mo5Cr4V2 1220℃加熱淬火組織 （500×） 圖6-19 W6Mo5Cr4V2 1250℃加熱淬火組織 圖6-20 W18Cr4V 1300℃加熱淬火、320℃、 （500×） 560℃×2回火組織 圖6-21 W6Mo5Cr4V2 1260℃加熱淬火 圖6-22 W18Cr4V回火不充分組織 （500×） 380℃、560℃×2回火組織 （500×） （五）晶粒度 1．特大晶粒 又稱萘狀斷口晶粒，打開的斷口上表現(xiàn)為魚鱗狀的花斑。萘狀斷口的形成主要是由于刀具經(jīng)過重復的高溫加熱，中間未經(jīng)退火，再結(jié)晶而成。 2.異常晶粒 在大晶粒中央有許多細晶粒，侵蝕后色澤較深，有點狀析出物。異常晶粒的產(chǎn)生，是由于原材料退火不完全，淬火加熱時間過長。 三、高速工具鋼的金相檢驗 （一）退火狀態(tài) 按GB/T 9943-1988《高速工具鋼棒技術(shù)條件》進行 1．共晶碳化物不均勻度 標準級別圖分帶狀及網(wǎng)狀兩個系列，每個系列各分1~8級。帶狀越寬、網(wǎng)狀越完整則級別越高。鎢鉬系的碳化物網(wǎng)較為細小，但評級原則相同。 檢查共晶碳化物不均勻的試樣，應(yīng)在鋼材直徑的1/4處，取厚度10~12 mm的橫向試片，再取扇形試樣。經(jīng)金相磨拋侵蝕，不同牌號的高速鋼應(yīng)按標準中的熱處理制度淬火，并在680~700℃回火1-2 h。 2．脫碳層 總脫碳層指鐵素體＋過渡層的總深度，剝皮及銀亮鋼材不允許有脫碳。 （二）淬火狀態(tài) 按專業(yè)標準《工具鋼金相檢驗標準》進行。檢驗項目見表6-3，作為工藝檢驗參考指標，其中鉆頭、鍵槽銑刀過中心的刃口，碳化物堆積處允許過熱程度級別≤3級。剃齒刀不允許過熱。根據(jù)工藝水平，在企業(yè)標準中或技術(shù)協(xié)議中應(yīng)制訂更嚴格的規(guī)定。 表6-3 淬火后檢驗項目及合格級別 產(chǎn) 品 過熱程度 合格級別 回火程度合格級別 名 稱 規(guī) 格(mm) W-Mo系 W系 直柄鉆頭 ≤Φ3 >Φ3~20 10.5~12 9.5~11 10~11.5 9.0~10.5 ≤1 ≤2 中心鉆 10~11.5 10~11.5 ≤1 錐柄鉆頭 ≤Φ30 >Φ30 9.5~11 9.0~10.5 9.5~11 9.0~10.5 ≤2 切口及鋸片銑刀 厚≤1 厚>1 10~11.5 10~11.5 ≤1 ≤2 ≤2 銑、鉸刀類 9.5~11 9.5~11 ≤2 車 刀 ≤16×16 >16×16 8.5~10.5 8.5~10.5 ≤2 ≤3 齒輪刀具 9.5~11 9.5~11 ≤2 螺紋刀具 9.5~11.5 9.5~11.5 ≤1 拉 刀 9.5~11 9.5~11 ≤1 回火金相組織：回火充分時，整個視場呈黑色回火馬氏體。一般回火程度時，個別區(qū)域或碳化物堆集處有白色區(qū)域?；鼗鸩蛔銜r，較大部分白色區(qū)存在，可見淬火晶粒。 過熱組織：部分碳化物變形、呈棱角狀；部分碳化物拖尾；部分碳化物呈線段狀；部分碳化物呈半網(wǎng)狀；部分碳化物呈明顯網(wǎng)狀。 .jpg) |
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