W18Cr4V高速钢组织与性能特点分析.caj

图 １ 高速钢各加工、热处理阶段的组织
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２００６ 年第 ４ 期
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图 ２ Ｆｅ—Ｗ—Ｃ ｒ—Ｃ 四元状态图
Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ 高速钢的铸态显微组织大致由三部分组 成［３］ ， 见图 １ （ａ）： 晶粒四周为黑色组织， 中心为白色 组织， 中间呈网状分布的具有骨骼状的莱氏体组织。 用 Ｆｅ—Ｗ—Ｃｒ—Ｃ 四元状态图 （图 ２） 的变温截面分析 Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ 钢的结晶过程， 可明确铸态组织的形成过程 和特点。图中未考虑钒的影响， 因为钒与钨、铬一 样， 都是形成碳化物的元素， 含量不大时， 不会对组 织有重大影响。图中虚线 Ｉ 相当 Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ 钢的结晶过 程， Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ 钢首先从液相析出含碳和合金都很少的 α固溶体， 即高温铁素体 （亦称 δ固溶体）； 当温度下 降到包晶反应临界温度以下时， 开始发生包晶反应， 产生含碳和合金元素较高的 γ固溶体 （奥氏体）； 继续 冷却到 １３４５～１３１０℃时， 发生共晶反应 （Ｌ→γ＋Ｃ）， 即 生成主要是含钨的复合碳化物和 γ固溶体混合组成的 骨骼状共晶莱氏体； 再继续冷却， γ固溶体析出二次 碳化物， 当 温度降至 ８７０～８００℃时 ， 发生铁素体 的析 出 过 程 ； 冷 至 ８００～７８５℃以 下 ， γ固 溶 体 共 析 分 解 为 珠光体。但在实际生产当中， 由于冷却速度快， 高速 钢铸锭得不到状态图上表示的那种平衡组织： 珠光 体＋转变了的莱氏体＋碳化物。在冷却过程中， 包晶转 变不完全而保留下来的 δ相要析出细小碳化物， 使其 显微组织呈黑色， 即所谓的黑色组织， 亦称索氏体— 屈氏体混合组织。γ相在较快的冷却速度下， 并未进 行共析分解， 而是转变成马氏体， 同时残余部分奥氏 体， 这种组织在显微观察时呈白色， 即所谓的白色组 织。所以铸态组织由黑色组织＋白色组织＋骨骼状的莱 氏体组织组成。
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Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ 高速钢组织与性能特点分析
雷富军 １， 马香兰 ２， 李 戬 １， 刘 伟 ３， 马莉花 １
（ １．青海大学机械系， 青海 西宁 ８１００１６； ２．青海交通职业技术学院后勤管理处， 青海 西宁 ８１０００３； ３．清华大学材料系， 北京 １０００８４）
处理 〔Ｍ〕．上海： 上海科学技术出版社， １９９８． 〔２〕 徐流杰， 魏世忠， 龙锐．高钒高速钢中碳化钒的形态研究〔Ｊ〕．
铸造， ２００３， ５２ （ １１） ： １０６９～１０７３． 〔３〕 大连工学院．金属学及热处理 〔Ｍ〕．北京： 科学出版社， ２００３． 〔４〕 郑明新．工程材料 〔Ｍ〕．北京： 清华大学出版社， １９９７． 〔５〕 朱张校．工程材料 〔Ｍ〕．北京： 清华大学出版社， ２００１． 〔６〕 潘金生．材料科学基础 〔Ｍ〕．北京： 清华大学出版社， ２００４．
（３） 高速钢回火： 为了消除淬火应力、稳定组织、 减少残余奥氏体量， 高速钢通常在二次硬化峰值温度 或 稍 高 一 些 的 温 度 （ ５５０～５７０℃） 下 回 火 三 次 。 在 此 温度范围内回火时， 钨、钼及钒的碳化物从马氏体中 析出， 呈弥散分布， 使钢的硬度明显上升， 同时残余 奥氏体转变为马氏体， 也使硬度提高， 由此造成二次 硬化， 保证了钢的高硬度和红硬性。但是三次回火 后， 少量的残余奥氏体还存在。 ２．２．２ 热处理过程中的组织变化 高速钢经过球化退 火后的组织为： 索氏体基体和在其中均匀分布的细小 粒状碳化物， 见图 １ （ｂ）， 可以改善其性能。淬火后的 组织为： 淬火马氏体、剩余合金碳化物和大量残余奥 氏体， 见图 １ （ｃ）。淬火后为了获得高的硬度、红硬性 以及好的塑性和韧性， 高速钢的奥氏体化温度应该取 在既能最大限度地使碳和合金元素熔入奥氏体中， 同 时又不使奥氏体晶粒过分长大的温度区间， 一般在 １２８０℃左右。回火后的组织为： 回火马氏体， 细粒碳 化物及少量残余奥氏体， 见图 １ （ｄ）。从回火过程中的 组 织 转 变 和 性 能 的 变 化 可 知 ， Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ 钢 在 ５５０ ～ ５７０℃回火， 能获得最好的机械性能， 达到硬度较高的 强度， 同时韧性也有所提高， 能满足大多数高速钢刀 具对性能的要求。
３ 结论
由于高速钢中含有不同成分的合金元素， 其铸态 显微组织： 中心为黑色组织， 中间为白色组织， 外层 为呈网状分布的具有骨骼状的莱氏体组织， 这种组织
导致高速钢性能变坏。通过锻打改善组织， 将铸态组 织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物击碎， 使其均匀分布， 从而提高高速钢的机械性能， 特别是 韧性。高速钢中的含碳量、合金元素， 影响着淬火回 火的硬度。因此， 通过热处理 （ 球化退火、淬火回火 处理） 改善组织， 使得性能有所提高。热处理后所得 的组织中存在索氏体基体及均匀分布在其中的细小粒 状碳化物、马氏体、合金碳化物和少量的残余奥氏 体， 其中马氏体组织中析出的碳化物弥散分布， 形成 二 次硬化， 这种 二次硬化 相多为 Ｍ２３Ｃ６ 和 Ｍ６Ｃ 间 隙 化 合物［６］， 间隙化合物晶体结构中多面体的共价键是高硬 度、高熔点的根本原因。因此， 这种组织决定了高速 钢具有高的硬度、红硬性以及耐磨性等优异的性能。 参考文献： 〔１〕 浙江大学， 上海机械学院， 合肥工业大学．钢铁材料及其热
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回火后获得高的红硬性。因此， 高速钢的淬火加热温 度非常高， 一般为 １２２０～１２８０℃。淬火冷却采用油冷、 分级淬火和等温淬火， 一般不采用空冷淬火， 因为空 冷时工件表面易氧化， 在冷却过程中会析出二次碳化 物， 降低淬火硬度和红硬性。高速钢淬火冷却通常采 用油冷， 油冷主要适用于长杆形刀具， 如拉刀等， 为 了便于淬火热校直而采用。这种冷却方法经济、方 便， 它的缺点是变形大， 又易污染车间空气。分级淬 火是为了减少淬火应力， 降低变形量， 分级淬火后的 组织为淬火马氏体、粒状碳化物和残余奥氏体， 它使 残 余 奥 氏 体 量 增 加 ２０％～３０％， 使 工 件 变 形 、 开 裂 倾 向减小， 强度、韧性提高。分级淬火的分级温度停留 时间一般不宜太长， 否则二次碳化物可能大量析出。
不难看出， 高速钢铸态组织和化学成分都是极不
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均匀的， 且产生骨骼状莱氏体， 这种组织硬而脆， 且 连续分布， 因而性能不好。为了改善高速钢的铸态组 织， 应先经过锻打， 将粗大共晶碳化物打碎［４］， 见图 １ （ａ）， 并使其均匀分布， 形成良好的组织形态， 使其机 械性能大幅提高。高速钢的锻造具有成形和改善碳化 物的双重作用， 它能使不均匀的碳化物通过锻造得到 小块均匀的碳化物， 且须经反复多次的镦拔。因高速 钢的塑性、导热性较差， 锻后还须缓冷。 ２．２ 热处理工艺 ２．２．１ 基本方法 铸造高速钢刀具的加工流程为： 热 轧棒材下料→锻造→球化退火→粗加工→淬火→回 火→精加工→表面处理。它的热处理包括： 机械加工 前的球化退火处理和成形后的淬火回火处理。高速钢 刀具所要求的硬度、强度、红硬性以及耐磨性是通过 正确的淬火和回火获得的。所以， 淬火、回火工艺的好 坏决定了刀具的使用性能和寿命， 这是热处理的关键。
图 ３ Ｗ１８Ｃ ｒ４Ｖ 钢的热处理工艺过程示意图
（２） 高速钢淬火： 高速钢的热处理工艺曲线如图 ３ 所示［５］。高速钢的淬火工艺比较特殊： 即经过两次预热、 高温淬火， 然后再进行三次高温回火。高速钢淬火加 热温度大多数在 １２００℃以上， 如果先预热， 可缩短在 高温处理停留的时间， 这样可减少氧化脱碳及过热的 危险 性。高速钢第 一次预热温 度 ５００～６００℃， 可烘干 工件上的水 分； 第二次预 热温度在 ８００～８５０℃， 使 索 氏体向奥氏体的转变可在较低温度内发生。高速钢中 含有大量钨、钼、铬、钒的难熔碳化物， 它们只有在 １２００℃以上才能多量地熔入奥氏体中， 以保证钢淬火、
摘 要 ： 本 文 针 对 Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ 钢 的 性 能 要 求 ， 从 高 速 钢 的 成 分 、 组 织 及 热 处 理 工 艺 等 角 度 进 行 了 分 析 ， 并 指 出 了 决 定其性能的主要因素。
关键词： 高速钢； 合金； 组织； 热处理
Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ 钢比起超硬材料成本低廉， 比碳素工具 钢、低合金钢、铬模具钢具有更优良的红硬性及耐磨 性， 一般用作刀具材料。从高速钢成分、热处理组织 转变工艺等方面探讨决定高速钢性能的要因是很有必 要的。清华大学与青海大学为此联合申报了 ８６３ 项目
研制高速钢轧辊。
１ 高速钢成分设计及理由
高速钢的特殊性能是与它的特殊化学成分相关 的， 其化学成分见表 １［１］。
Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ 中主要含有碳、钨、铬、钒等元素， 各 元素在高速钢中的作用各有不同。若含碳量太低， 则 降低了高速钢的硬度、红硬性和耐磨性； 若含碳量偏 高， 则硬度和红硬性有所提高， 同时使碳化物的不均 匀性增加， 使钢的塑性降低， 工艺性能变差； 若再提 高含碳量， 则使熔点过度降低， 迫使淬火温度下降过 甚， 使钢的红硬性和机械性能都下降。钨是影响高速 钢红硬性的主要元素， 钨的作用与钒的含量有一定的 关系， 当含钒量较低时 （如 １％～１．２％）， 红硬性和切削 性能随钨量的增加而增加， 含钨量达到 １８％， 其性能 最好； 钨可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； 钨还可以增加钢的淬透性， 但 比铬小， 钨使碳化物的不均匀性增加。加入铬主要作 用是提高淬透性， 高速钢在淬火加热时， 铬几乎全部 熔入奥氏体中， 奥氏体的稳定性得以提高， 增强了钢 的 淬 透 性 ， ４％的 铬 能 充 分 满 足 高 速 钢 对 淬 透 性 的 要 求； 铬还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。钒与 钨一样， 也是影响高速钢红硬性的元素之一， 但二者 不能互相替代， 钒的弥散硬化作用比钨强烈， 而熔入 固溶体的钨， 则可提高马氏体的回火稳定性， 钒也能
（１） 高速钢球化 退火： 高速钢 锻 造 以 后 必 须 经 过 球化处理， 其目的不仅在于降低钢的硬度， 以利于切 削加工， 也为以后的淬火做好组织准备。另外， 返修 工件在第二次淬火前也要进行球化退火， 否则， 第二 次淬火加热时， 晶粒将过分长大而使工件变脆， 高速 钢退火后获得球状碳化物和回火索氏体组织。