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行业动态

高速钢刀具的热处理

2019-01-21 00:00:00    来源:高频感应加热设备    点击:1168    喜欢:0

摘要:随着现代制造技术的发展,高速钢刀具在切削加工中被广泛使用。本文通过对高速钢刀具材料的化学成分、性能及使用工作条件的阐述 以及加工中对刀具材料的技术要求,经过严格的热处理工艺方法如;退火、 淬火、和多次高温回火才能满足其技术要求和使用性能。本文参考了一些“金属材料、工艺学”教材和经过多年的实践摸索总结而成。

关键词:高速钢    刀具    热处理


1.引言

1.1高速钢:它是含有W Cr V等合金元素较多的合金工具钢。如w18cr4v是国内使用最为普遍的刀具材料,广泛的用于制造较为复杂的各种刀具。 如钻头、  铣刀、铰刀、拉刀和其他成型刀具。高速钢俗称锋钢或风钢;称锋钢 是因为用高速钢w18cr4v制造的刀具硬度能达到HRC62-65度非常锋利。称为风钢是针对热处理操作而言,一般的钢铁材料制造的刀具要想满足技术要求在加热后需借助油或水中快速冷却,而高速钢制造的刀具在有效厚度小于5mm的工件,加热后在流动的空气中(风中)就能淬上火,就能获得相当的硬度(HRC55-60,因此而得名。

1.2刀具在工作时,由于摩擦作用,势必引起刀具刃部温度的升高,当切削速度达到一定量刃部温度能达到500-600℃。随着机械制造业的发展和制造工艺的成熟,切削加工 速度的提高,刀具刃部的工作温度还可能增加。这就要求刀具材料不仅具有一般刀具材料的所必需的硬度、强度、耐磨性和一定的韧性,还要求刀具在较高的温度下具有高硬度、强度和耐磨性(俗称红硬性或热硬性)。而碳素工具钢和低合金工具钢在200℃以下可以保持其工作性能,当工具受热超过250度时,硬度就显著下降,失去切削效能。高速钢经热处理以后,其热硬性好,因此在生产实践中被广泛使用。


2.常用刀具材料

2.1高速钢常用的材料有W18Cr4VW9Cr4V2W6MO5Cr4V2W12Cr4v4Mo等几种。其中以W18Cr4V钢产量最多,应用最广泛,历时最长。为世界各国所通用。


W18Cr4V钢的化学成分(%)(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钢刀具的基本性能(表2--2

硬 度

抗弯强度

冲击韧度

耐热性

HRA(HRC)

Kg%mm2

KJ%m2

0C

82-87(62-69)

350-450

98-490

540-650

2.2W18Cr4V钢中合金元素的作用。高速钢的特殊性能 是有其化学成分所决定的(只有经过一定的热处理才能体现出来)。

2.2.1钨是造成高速钢热硬性的主要元素,是强碳化物形成元素如(FeW)6c为主。同时有部分钨溶入固溶体中。实验指出:在淬火的W18Cr4V钢中约有7%的钨溶入固溶体中,约有11%的钨存在于未溶的碳化物中,钢在淬火加热时,(FeW)6c等碳化物很难溶解,对晶粒的长大起阻碍作用。将钢加热到1280℃时,仍保持细小晶粒。因此可以采用较高的淬火温度以提高奥氏体的合金度,热处理后获得优良性能。未溶的碳化物具有极高的硬度,增加了钢的耐磨性。

钨还强烈降低钢的 导热系数,因此高速钢加热和冷却必须缓慢进行。

2.2.2钒是造成高速钢热硬性主要元素之一。

钒是强碳化物形成元素,形成稳定的VC,回火过程中VC的细小质点弥散析出造成钢的二次硬化。

2.2.3铬是碳化物形成元素 

钢中加入铬的重要作用是提高淬透性与韧性,能增加钢的二次硬化效率和热硬性。

铬还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。

2.2.4钢的含碳量很重要。钢的二次硬化和热硬性等基本性能是碳与各碳化物形成元素,形成各种碳化物所造成的。钢的含碳量很重要的,当含碳量太低时,不能保证形成足够数量的复合碳,导致淬火后硬度、热硬性、耐磨性降低。当含碳量偏高时,碳化物数量增加,碳和合金元素的浓度增高,使钢的塑性降低,工艺性能、机械性能下降。


3.刀具热处理举例

钻头,材料:W18CV4V,直径18mm,要求HRC63—65,变形要求:小于0.5mm.

钻头的生产工艺过程:原材料——锻造——热处理(退火)——机械加工——热处理 (淬火)、回火——精加工(磨削)。

3.1高速钢的锻造,其目的不仅仅是改变钢材的形状和尺寸,更重要的是通过反复的镦粗拔长,打碎碳化物。改善碳化物不均匀性使钢的化学成分更加均匀。

锻造中的主要缺陷是裂纹,除材料因素外,停锻温度过低、冷速快,加热不足和加热不均匀都能引起开裂。当停锻温度过高(大于1000℃左右)会造成晶粒过分长大,及易引起裂纹。

3.2 高速钢(钻头)的退火

3.2.1高速钢的退火的目的是降低硬度,便于切削加工,消除锻造的应力(内、外应力)并为随后的机械加工、淬火做好组织准备。

3.2.2退火工艺:将工件加垫至870—880℃,保温4小时,速冷至740—750℃(冷至C曲线的拐弯处)保温6小时,使奥氏体等温分解,随炉冷至500—550℃出炉空冷。

工艺曲线:


3.2.3加热设备  通常毛坯件的退火在箱式电炉中进行。经历了高温880℃和长时间的加热过程中,势必造成工件的氧化脱碳,为了避免工件的氧化脱碳,对一些表面光洁要求较高的刀具坯料的退火处理选择在可控气氛炉中进行。如井式气体炉火真空炉。实践中在井式炉中温度大于600℃滴入煤油或甲醇进行气体保护。使工件在加热过程中不增碳也不氧化脱碳,保证工件基本的光洁度和有效尺寸。

退火后的硬度采用布氏硬度计检测,为HB 207—255。其显微组织细小的碳化物均匀的分布在索氏体基体上。


4.高速钢的淬火、回火

4.1高速钢刀具所要求的硬度、强度、热硬度和耐磨性是通过正确的淬火和回火之后获得的,所以淬火回火工艺决定刀具的使用性能和寿命,是热处理的关键。

其工艺:


4.2 淬火工艺操作分析:

高速钢钻头的淬火工艺包括: 预热(温度、时间)加热保温(温度、时间)淬火冷却三部分组成。

淬火预热: 

高速钢预热的目的主要是减少温差和有温差造成的应力,减少变形、防止开裂,其次是为了防止脱碳和提高生产效率。

高速钢含有大量的合金元素 导热性差,塑性较低。如果直接将工件有室温加热至1200℃以上,将产生很大的应力,加热时易引起变形开裂。冷却时这种有加热过急造成的应力也增加变形开裂的倾向。为了减少热应力,实践中采用分级予热,如工艺中的450—500℃度预热,保温后升直800—850℃预热,通过预热缩短了高温加热时间,有利于防止工件的氧化脱碳。

450—500℃在箱式炉中,一般工件预热2-3分钟/毫米,800—850℃在盐浴炉中,一般取8-15/毫米。

4.3 淬火加热、保温

工件经800—850℃在中温盐浴炉中预热后,转入高温盐炉1280℃中加热,加热系数为8—15/毫米。根据有效厚度直径为¢18mm的直柄钻头,在高温盐炉的保温时间为10分钟。此时钻头的内部组织碳和合金元素以最大限度的溶入奥氏体中。同时又不使奥使体晶粒过分长大,为淬火冷却后满足技术要求创造了便利条件。、

4.4淬火冷却

淬火冷却的目的是获得必要的组织和性能,但变形和开裂也往往在冷却时发生。实践证明根据工件的形状尺寸和技术要求选择正确的淬火方式至关重要。

根据工艺直柄钻头的冷却采用油冷,将加热保温后的工件,直接淬火机油中,淬火后得到HRC63,组织是M+碳化物+残留奥氏体。

4.5高速钢钻头的回火

4.5.1淬火以后的高速钢回火时能产生明显的二次硬化现象,对钢的硬度、热硬性有直接的影响。

        回火工艺:


钻头的回火工艺在井式回火炉中操作。经过三次高温回火后,不仅消除应力,提高强度、塑性,而且提高了硬度,产生了二次硬化现象。高速钢的热硬性也是在回火过程中获得的,这两点是高速钢回火得显著特点。

4.5.2回火时组织转变性能影响

回火时钢中的马氏体、残 余奥氏体和碳化物都将发生变化,一是淬火马氏体转变为回火马氏体;二是残余奥氏体在回火冷却时转变为淬火马氏体。

回火过程中,钒和钨的合金碳化物析出,使钒、钨、铬的含量降低析出,以及细小的粒度弥散分布在马氏体基体上,使其硬度升高,造成二次硬化。

二次硬化还与回火后冷却过程中残留奥氏体转变为二次马氏体有关,有低硬度的残留奥氏体转变为高硬度的二次马氏体,也是造成硬度升高的原因。

高速钢回火时所得到的高硬度,在以后的切削过程中既使切削部位升到600℃左右仍保持高的硬度是因为:1)以vc型为主的钒和钨碳化物,既弥散析出造成二次硬化,又具有较好的稳定性,难以发生聚集。2)析出碳化物后的马氏体中,尚有相当高的钨,使马氏体难以继续分解。由于这两方面的原因保证了高速钢的热硬性。  

4.5.3回火工艺分析

在回火工艺中,回火温度为560±10℃,保温1小时回火次数三次。为什么要回火三次呢?这是因为高速钢淬火后大部分转变为马氏体,残留奥氏体量是20—25%,甚至更高。第一次回火后,又有15%左右的残留奥氏体转变为马氏体。还有10%左右的残留奥氏体,15%左右新转变未经回火的马氏体,还会产生新的应力,对性能还有一定的影响。为此,要进行二次回火,这时又有5—6%的残留奥氏体转变为马氏体,同样原因为了使剩余的残留奥氏体发生转变,和使淬火马氏体转变为回火马氏体并消除应力,需进行第三次回火。经过三次回火残留奥氏体约剩1—3%左右。

W18Cr4V钢制钻头经回火后得到:回火马氏体(含钨钒的合金马氏体),细小碳化物颗粒和少量残留奥氏体,硬度为HRC65。显微组织为暗黑色的马氏体分布白亮的碳化物颗粒。经检测符合技术要求。


5.结束语

高速钢钻头经论述的热处理方法的处理检测合格是成熟可行的热处理工艺。这里有两个关键的因素:一个是淬火加热温度,它是决定能否是高速钢刀具发挥应有性能和满足制造条件,经久耐用的关键;另一个是淬火变形,零件尺寸、大小、形状复杂程度、要求精度等级、淬火后变形量都将影响加工质量。因此高速钢刀具热处理过程中就是围绕这两个关键环节采取措施

通过了解掌握高速钢刀具热处理的过程,在实践中采用正确的方式方法非常重要。淬火加热温度是一个外因通过工件的化学成分、内部组织这个内引起作用。因此,真正掌握高速钢刀具的称合组织转变规律对性能的影响,才能正确选择淬火加热温度、保温时间和冷却方式。才能避免和减少变形,满足其技术要求,使刀具在使用中发挥最佳的效能。

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