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高速钢热处理之九问九答

纵观现在世界上所有的钢种,无论其化学成分、组织、性能之间的复杂关系,还是冶炼、浇注、锻造、轧制、拉丝、塑性成形、焊接和热处理等整个制造过程的难度,高速钢无疑是最难搞的钢种之一。高速钢自问世至今已有100多年历史,一直以制造金属切削刀具著称。有人说“高速钢奥妙无穷”,也有人说“高速钢变化莫测”。长期以来,人们对高速钢进行了大量的基础研究和改革创新,丰富了热处理宝库。笔者1968年大学毕业后,从事高速钢热处理整整50个春秋,积累了不少经验,也记录了一些失败的教训,总结出高速钢热处理值得关注的23个问题,和同行们商讨,不妥之处请批评指正。

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01

碳在高速钢中作用是什么?

碳是高速钢中最重要的元素,作用机制是碳化物的形成及转变——溶解、析出、聚集。含量必须适当,不可过多,也不能太少。当含量较低时,不能形成足够数量的复合碳化物,因而在淬火加热时溶入固溶体的碳化物减少,会降低钢的硬度、红硬性及耐磨性;若含碳量高,淬火加热时,碳和合金元素的浓度增高,使钢的硬度、红硬性提高,但也带来一些不利影响:在碳化物不均匀度增大、塑性降低脆性增加、工艺性能变坏(锻造、轧制易开裂)、降低钢的熔点,所以容易产生过热过烧。含碳量增高,会使淬火后残留奥氏体rR增多,增加回火难度。以前的M35钢因含碳量偏低(0.80%~0.90%),淬回火后根本达不到67HRC以上的高硬度;501钢(M2A1)因含碳量偏高,问题不少,现在两钢都回归到正常的含碳量了。GB/T9943新标准和原标准相比,最大的亮点莫过于碳的变化。

   高速钢中究竟含多少碳好?应遵循定比碳法则确定。钢厂生产的高速钢成分虽都符合国家标准,但不一定适合你。工具厂应根据自家的产品,选择有竞争力适中的含碳量钢种。


02

高速钢的碳饱和度如何计算?

 平衡碳是给出钢中所有的碳化物形成元素,按定比碳关系达到平衡时的碳含量,通常按下式进行近似地计算。

Cs=0.33W+0.063Mo+0.06Cr+0.2V

式中,Cs是理论上计算的“平衡碳”,“平衡碳差值”表示计算出来的Cs与实际含碳量的差值,即ΔC= Cs-C

     CCs的比值即为碳饱和度,常用“A”来表示。

例如:M2钢的实际化学成分为(质量分数:%):0.85C5.97W4.95Mo3.97 Cr1.82V。平衡碳、平衡碳差值、碳饱和度计算式分别为:

平衡碳(Cs=0.035.97+0.064.95+0.03.97+0.1.82=1.103

平衡碳差值(ΔC=1.103-0.85=0.253

碳饱和度(A=0.85/1.103=0.771

  笔者统计分析了M2267个炉号340t含碳量,并热处理试验A值对钢性能的影响,结论是:A值在0.76~0.83时,综合性能佳。


03

碳饱和度与淬火温度及热处理后硬度的关系?

在正常的淬火温度范围内,每提高11~13℃,晶粒度就升高1级,如果按9.5~10.5级晶粒度组织生产,对于M2淬火温度(t)与A值有一定的对应关系,笔者的经验是:

   A=0.70      t=1227~1238

   A=0.73      t=1222~1233

   A=0.76      t=1218~1231

   A=0.79      t=1212~1223

   A=0.82      t=1210~1221

A值越高,淬火温度越低,反之亦然,根据A值确定淬火温度是科学的,行之有效的,已被国内同行认可。

知道了A值,就能准确地预测淬回火后的硬度,经验式为:

对于M钢而言:HRC=A/(0.01285A+0.00185) 例如M2钢A值为0.77,则HRC=0.77/0.01285×0.77+0.00185=0.77/0.0117445≈65.6。实际生产中的刀具硬度在65~66HRC,非常吻合,要想硬度高,必须选择A值高的钢制作。



04

高速钢刀具淬火为什么要预

高速钢属高合金工具钢,含有众多的合金元素,导热性差、塑性低,所以高速钢淬火必须经过预热,有四大好处。

1)减少应力及变形开裂的几率。

2)缩短高温加热时间,减少氧化、脱碳倾向。

3)先在空气炉中预热再到盐浴炉预热,避免发生爆炸危险,有利于安全生产。

4)中温预热一般在850℃左右,使珠光体向奥氏体转变在较低温度下进行,有利于减少最后相变应力。


05

高速钢碳化物不均匀级别判定标准是什么?

严重的碳化物不均匀度将使钢的硬度及红硬性下降,若呈网状堆积,破坏了钢组织的连续性,导致刀具在使用过程中易脆断崩刀。高速钢碳化物不均匀在×100倍显微镜下观察。GB/T9943-2008《高速工具钢》将共晶碳化物分为8级,诠释如下,供参考。见表1.

   1    高速钢碳化物不均匀度级别


标准细则

1

碳化物分布均匀

2

碳化物呈微细状

3

带系——细带宽约2mm,网系——细网中局部有不明显分叉

4

带系——有明显集中带,带宽约4mm;网系——有明显的微细分叉

5

带系——集中带宽约7.5mm;网系——网状残余

6

带系——集中带宽约11mm;网系——破碎网及少量堆积

7

带系——集中带宽约15mm;网系——拉长多形网有明显堆积

8

带系  明显集中带宽约19mm;网系  封闭完整网有明显堆积


06

高速钢中碳化物颗粒度级别判定标准是什么?

高速钢中大块角状碳化物和大颗粒碳化物统称为大块碳化物,根据GB/T9943-2008,大块碳化物的评级分W系和W-M0系,见表2和表3.

 高速钢中大块碳化物评级标准(W系)

 


1

2

3

4

大块角状碳化物最大尺寸/μm

18

21

23

25

大颗粒碳化物最大尺寸/μm

16

18

21

23

3  高速钢中大块碳化物评级标准 (W-MO系)


1

2

3

4

5

6

碳化物最大尺寸/μm

-

6.1

8.3

12.5

15.6

22.1

   检查大块碳化物应在试样直径或对角线的1/4处的纵向截面上进行,以视场中最严重为判据,试样按规定的热处理工艺淬火后于680~720℃×1~2h回火,试样厚度10~12mm,×500倍下观察。

   对于高速钢来讲,碳化物是一把双刃剑,它既是保证了高速钢具有高硬度、耐磨性、红硬性等使用性能,同时又是产生各种质量问题的重要根源。为了提高刀具寿命,必须深入研究高速钢中的碳化物,深刻理解碳化物的生成和变化规律。高速钢的热处理,无非是在做碳化物的转变与转换工作,必须高度重视。

 


07

碳化物的溶解度对高速钢的性能有何影响?

高速钢的碳化物类型有M3C、M23C6M7C3M6C、MC、M2C等。高速钢加热时碳化物溶解情况决定了奥氏体中碳合金元素的含量,并影响晶粒度,从而影响钢淬火后的力学性能及使用性能。碳化物溶解越充分,硬度越高,耐磨性、红硬性越高。但韧性下降脆性增大,炉前金相一定要注视碳化物的溶解情况,只看晶粒号不看碳化物溶解度是很不全面的。

我们在实践摸索出判断碳化物溶解度的简易方法:在一颗奥氏体晶粒中,5~8颗粒溶解充分,8~12颗溶解一般,﹥12颗溶解不好。在现实生产中,视刀具类别及使用情况,控制碳化物溶解度非常重要,这也是高速钢热处理的精髓。



08

显示高速钢奥氏体晶粒度用什么试剂?

HSS及HSS-E钢淬火后显示奥氏体晶粒度常用4%硝酸酒精溶液(体积分数),温室,侵蚀时间灵合掌握,也有用7%~13%三氯化铁水溶液。HSS-L钢淬火后显示奥氏体晶粒度用10%硝酸酒精或10%三氯化铁水溶液。

不管什么类别的高速钢回火后再显示奥氏体晶粒度是很难的,需专配。我们的配方1:100ml乙醇+10ml盐酸+3ml硝盐。配方2:100ml甲醇+10ml盐酸+3ml硝酸。



09

M2钢同成分制作不同的刀具热处理工艺有何不同?

2004年笔者在全国工具厂厂长经理会上作“制定热处理工艺应该个性化”的学术报告【文章载《机械工人-热加工》2005年第6期】,受到一致好评。我举同成分的M2钢为例,制作不同的工具,热处理工艺见表4.

 

4   M2钢制作不同刀具的热处理工艺

 


淬火温度

/℃

冷却工艺

晶粒度

/级

回火工艺

回火后硬度

HRC

过热程度

/级

车刀

1230~1235

油淬或中性盐分级

8.5~9

550℃×1h×3次

65~67

2~4

滚刀

1225~1230

500~600℃盐浴分级

9.5~10

第一次350~380℃,以后550℃×1h×3次as

≧64

1~2

三面刃铣刀

1220~1230

500~600℃盐浴分级

9.5~10.5

550℃×1h×3次

65~67

﹤2

直柄钻头

1210~1225

500~600℃盐浴分级

10~11

550℃×1h×3次

64~66.5

﹤2

拉刀

1205~1215

油淬或中性分级后再260℃等温

10.5~11.5

550℃×1h×4次

64~66.5

不允许

机用丝锥

1190~1210

500~600盐浴分级后再260℃等温

10.5~12

550℃×1h×4次

63~66

不允许

大锯片

1180~1200

500~600盐浴分级后再260℃等温

11~12

550℃×1h×4次

62~65

不允许


end



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     发布于 2019-09-21 19:55:25  回复该评论
  • 你好,以前可以下载的一个计算器,今天怎么不好下载了?

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