高速钢回火组织及性能的研究

2.2.3 高速钢的回火
淬火后，讲所有试样进行3次回火，均在热处理加热炉中进行回火，回火温度为 560℃，第一次回火保温时间为1.5小时，第二、三次回火保温时间为1小时，出 炉空冷。回火工艺曲线如图2-5：
2.3 金相组织观察 将经退火后、不同温度淬火后、回火后各个试样，均在砂轮机上把端 面磨掉2-4mm，并经过从粗到细不同规格砂纸磨制和抛光后，在横截 面上观察其金相组织。经过磨制抛光后，用湿棉球将表面的抛光粉轻 轻擦去，然后用95％的酒精清洗吹干，接着用2-4％的硝酸酒精溶液 腐蚀，在金相显微镜下观察并拍摄显微组织。在显微镜下，不能有划 痕和腐蚀坑存在。
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第二章 实验内容和方法
2.1 实验材料及设备 2.1.1 实验用钢 实验采用通用型高速钢：W6Mo5Cr4V2，该钢是由0.8％-0.9％C，5.50 ％-6.75％W、4.50％-5.50％Mo、3.80％-4.40％Cr、1.75％-2.2％V等元 素组成 2.1.2 实验设备 热处理过程中主要使用设备：热处理加热炉,淬火漕,淬火用油。 制作和观察金相的设备：切割机,砂轮机,砂磨机,抛光机,金相显微镜 等设备，还要使用抛光粉(Cr2O3),腐蚀剂(4%的硝酸酒精溶液)等。 检测硬度的设备：硬度计 2.2 高速钢的热处理 2.2.1 高速钢的退火 经过锻轧后高速钢需要经过退火以消除内应力,降低硬度, 便于切削加工和为淬火做好组织准备.我们使用了热处理 加热炉进行退火处理，退火温度为850℃左右,保温大约3 个小时以后,随炉冷却。其工艺曲线如图2-1:
1.3高速钢的热处理发展与展望
国内外高速钢刀具高温加热仍以100%BaCl2盐浴为主，φ3mm以下的小钻头及简单不易变形 的小刀具采用真空淬火。盐浴淬火的关键是冷却，目前仍采用5-3-2中性盐，分级温度 580～620℃，若需等温则在分级后转入240～280℃硝盐浴中，等温时间30～120min，等温 后校直弯曲超差的工件，4次回火。回火大多采用100%NaNO3，回火温度视具体刀具和钢 种而定，一般为540～560℃。对于形状复杂的特大型刀具、有效厚度>100mm贵重刀具应 采取特殊的回火工艺，严防开裂[10]。 高速钢的淬火和回火处理已大量采用真空热处理设备而取代传统的盐浴炉。采用真空热处 理具有显著的优点： （一）完全消除了加热中的氧化、脱碳，可获得无变质层的清洁表面； （二）对环境无污染，无三废处理问题； （三）炉温测定，监控精度大大提高； （四）机电一体化程度高； （五）电热能耗显著低于盐浴炉； （六）工件变形小。 （七）产品性能稳定, 重复性好。 随着机械工业的发展，不断要求增加金属切削加工量，提高切削速度，缩短机床工作时间， 改善切削效率，以及难切削新型材料的出现(高温合金、马氏体时效钢、沉淀硬化不锈钢)， 对刀具性能要求愈来愈高。不但要求有高硬度、高红硬性、高耐磨性，还要求较高的抗弯 强度、断裂韧性和优良的淬透性能。为了满足这些性能的需要，新刀具材料不断出现，品 种逐渐繁多，如硬质合金、金属陶瓷、金刚石等超硬工具材料。近年来,物理气相沉积 (PVD)氮化钛表面涂层发展非常迅速,特别是对精密的齿轮刀具及数控机床和柔性加工中心 等定期更换刀具的设备上所使用的刀具,国外大都采用了PVD法涂氮化钛,能有效地提高刀 具的红硬性、耐磨性以及抗氧化抗腐蚀性能,使高速钢刀具的使用寿命提高几倍,切削加工 效率提高。
高速钢回火组织及性能的研究
指导老师：杨闯 讲师 答辩人：朱牧
第一章 绪论
1.1课题研究的目的和意义 1.1课题研究的目的和意义 高速工具钢(以下简称高速钢) 是在高速切削条件 下使用的工具钢, 它的主要失效形式是磨损、崩刃、 卷刃和变形。对于这类钢的力学性能要求是硬度、 韧性、耐磨性和耐热性能等。在高速钢的发展历程 中, 人们对韧性的研究远少于对硬度的研究。近几 十年来, 开始重视这方面的研究工作。细化晶粒是 提高韧性的一个重要手段。细化晶粒有两个途径: 一是调整成分, 二是控制工艺。采用热处理的办法 来细化晶粒对提高钢的韧性, 具有重要意义。本课 题主要目的是研究最佳的淬火、回火温度，使 W6Mo5Cr4V2钢的组织和性能达到最好的状态，为 W6Mo5Cr4V2钢的实际应用提供理论参考。
1.2高速钢的应用前景 高速钢的应用前景
1.2.1高速钢的发展概况 1.2.1高速钢的发展概况 高速钢问世于1898年，1910年形成全世界通用的W18Cr4V高速钢；为提高热硬性，1921年 开始了高速钢中加Co的研究；30年代初期，用于切削难加工材料的高碳、高钒高速钢获得 应用；1937年出现了成为今日W6MoCr4V2刚基础的W-Mo系高速钢，几经消长W-Mo系在 60年代成为主要生产高速钢国家中占统治地位的钢种。近几十年来，一方面，经过长期实 践考研的成熟钢种趋于稳定；另一方面，由于资源条件、生产需要等原因，又陆续开发了 一些新品种高速钢。其中，A钢是节约合金元素的低合金该塑钢；B钢是SKH9的代用钢， 其W、Mo、V量均低于SKH9；C钢是高韧性高速钢，可用于剧烈断续切削场合；D钢是不含 W的利用表面硬化法（如氮化）的新开发材料；E钢是兼具耐热性和韧性的冷塑形加工用 高速钢；F钢是新的折出的硬化型高速钢；G钢是新的马氏体时效型高速钢【1】。 在新高速钢开发方面，一下三点值得注意[2]： （一）为节省自愿而降低合金元素总量。如瑞典的D950钢（含0.95%C、4.0%Cr、5.0%Mo、 1.7%W、1.2%V）就是这种“省资源高速钢”，由于较高的C/V比，提高了马氏体的硬度和 回火阻力。又因Si、N的适量增加，形成了容易分解为（M5C+MC）的M2C型碳化物，从而 可以根据需要调整钢的显微组织。据报导，其被磨削性能优于W6MoGr4V2钢。 （二）为改善高速钢本身的被切削性，进一步发展增硫易削高速钢。如美国增硫告诉钢含 硫0.12-0.16%，西德增硫高速钢含硫0.08-0.14%。1983年西德蒂森特殊钢厂报告，增硫高速 钢在退火状态下进行机加工，可得到不必再磨削的良好表面；如先将钢件进行900℃淬火 和650℃回火，使之适当提高以硬度后再进行机加工，则可达到极高的表面光洁度。这种 高速钢可用作成形不磨削的刃具，并使加工它的刃具寿命提高20-30%。 （三）为节约战略物质Co，研制以Mo代Co的粉末高速钢。如美国坩埚公司1982年报导， 该公司研制的RE×25粉末高速钢，可用来取代含Co的高性能高速钢T15， REX25的热硬性 等于或优于T15钢，车削实验也证明，在大多数情况下，REX25的使用寿命不比T15差。
2.2.2 高速钢的淬火
实验用钢退火后,将材料分割为6份,并分别以1-6编 号。由于高速钢中合金元素含量和碳化物很高，钢 的导热性差，为了减少工件由室温直接加热至高温 所产生的内应力，减少高温开裂和脱碳的倾向，在 淬火前先进行预热处理，把工件放入热处理加热炉 中加热到850℃时保温30分钟，再将其中1、2号材 料加热到1150℃，3、4号材料加热到1200℃，5、 6号钢加热到1250℃，均保温20分钟后，再把工件 迅速放入淬火用油中进行油冷。其工艺曲线分别如 图2-2、2-2、2-4：
1.2.2高速钢的发展前景 高速钢的发展前景
若按所含主要合金元素的不同，高速钢可分为3种基本系列（1）钨系高速钢，含钨大于9%----10%，不含钼或不超过1%钼， 著名钢号为W18Cr4V（T1）；（2）钼系高速钢，以钼为主，含钼高于8%，不含钨或W%不超过2%，代表钢号为M1；（3） W-Mo系高速钢，介于上述二者之间，其最有代表性的钢号是W6Mo5Cr4V2（M2）。随钨、钼相对含量的不同，3种系列中都 可以含钴、含高钒（2.5%以上），或提高含碳量（超硬性）；若按使用性能分，又可以分为普通高速钢和特种高性能高速钢。 前者包括通用性高速钢和低合金高速钢，后者包括钴高速钢、含钒2.5%以上的高钒高速钢（历史上曾称为“超高速钢”）及 高碳型的超硬高速钢。超硬高速钢大多数含钴5%——12%，可以一般含钒量（1%——2%），也可以高含钒量，其主要特点是 热处理硬度可达HRC68以上，其成分都是C%较高，等于或接近于平衡碳值。粉末冶金高速钢由于生产方法特殊，其合金成分 另有特点，一般说，多为高碳、高钒、高钴、钨当量可以很高（甚至25%以上），正在发展成为特种高速钢中的特殊高性能 品种。用粉末冶金方法生产通用型高速钢不能充分发挥该法的优势，而成本增加不少，现已基本不用。 通用型高速钢中，W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2是最早开发并且广泛应用的钢种，在这两种材料的基础上，发展了多种牌号高速 钢。Ｗ18Cr4V钢热处理时过热敏感性低，抗氧化脱碳能力强，可加工性、可磨削性好；缺点是莱氏体组织粗大，碳化物分布 不均匀，热塑性较差，韧性低，比重大，成材率不高；它的抗弯强度可达3500MPa。由于Ｗ18Cr4V钢贵金属元素钨的含量非 常高，故使用量越来越少。W6Mo5Cr4V2钢由于兼有钨系和钼系高速钢的优点,既有较高的红硬性和耐磨性,较小的脱碳倾向与 过热敏感性,同时碳化物较细、分布较均匀,热塑性及韧性较高【3】，综合性能优异，应用最广，它的碳化物颗粒细小、分布均 匀性好，韧性及热塑性比Ｗ18Cr4V钢提高50%，但其过热敏感性较高，氧化脱碳倾向大，可加工性稍差；抗弯强度达 4700MPa，在轧制、扭制工具应用方面颇具优势，同时也适合制作螺纹、有孔、拉削刀具。由于它便于机械加工,通用性强, 使用寿命高,价格便宜,因此得到了广泛的应用。Ｗ9Mo3Cr4V钢的性能兼具W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2钢的特点，容易轧制、锻 造，热处理工艺范围宽，脱碳敏感性小，可以代替W6Mo5Cr4V2钢制作大规格的轧制、扭制刀具。 低合金高速钢是一种经济型高速钢，W、Mo、Cr、V等贵金属元素含量总和不高，红硬性比通用型高速钢差。常用的低合金 高速钢有W4Mo3Cr4V及W2Mo5Cr4V，这类高速钢主要用于制造热轧直钻、热轧(挤压)丝锥、手用丝锥、机用丝锥、机用锯条、 立铣刀、机绞刀车刀、木工刨刀等普通低档(民用)刀具，替代较贵通用型高速钢材料，但是使用寿命差得多【4】。 低碳高速钢主要用于制作冷作模具，以W18及M2钢为代表的通用高速钢主要用于制作切削刀具,通用高速钢的碳饱和度一般 <0.18，故淬回火后的硬度仅为HRC（65±1）,用于加工硬度低于270HB的钢材。近年来由于被加工件硬度提高以及数控机床 及加工中心的广泛应用,通用高速钢的硬度已不能满足要求,需要采用硬度为HRC（66±1）的以M35钢为代表的高硬高速钢及 硬度大于67HRC的以M42钢为代表的超硬高速钢来制作刀具以提高刀具硬度。需要指出的是机床精度与刚度的提高为提高刀 具硬度提供了条件。目前在国际著名工具厂家的样本上通用高速钢M2钢已基本被淘汰,M2钢只用于制作手丝锥等少数刀具； 欧洲一般不采用M42钢而采用高碳M2及M35钢【5】。 高性能高速钢热处理硬度、抗回火软化能力、耐磨性等性能均显著优于通用型高速钢，常用的是含钴、含铝两类。含钴高速 钢常用于切削高强度调质钢及不锈钢、耐热钢等难加工材料，因为可磨性好，可制成各种刀具、特别是复杂刀具，所以在国 际上用得很普遍【6】。含铝超硬高速钢具有很高的硬度和红硬性(室温下为65～70HRC，600℃时为62HRC以上)，与钴高速钢相 比，性价比很高，可用于制造车刀、立铣刀、钻头等要求红硬性较高、结构简单的刀具；缺点是可磨性差，影响了它的使用。 常用的铝高速钢有W6Mo5Cr4V2AL、W10Mo4Cr4V3AL、W8Mo2Cr4V2NAL等。目前，在工业发达国家,高性能高速钢的产量约 占高速钢总产量的20%以上【7】。 粉束冶金高速钢从根本上解决了高速钢中碳化物分布不均及碳化物粗大的问题。粉末冶金高速钢除用于制造切削刀具外，还 用于制造精密模具，此外，象冷轧辊、冷锻工具及切割机刀片等均可应用粉末冶金高速钢，而且取得了良好的效果【8】。这 类材料的高温热硬度高，又适合制造难加工材料所用的刀具，确实是面面俱到【9】。