材料成型设计与控制论文《高速钢的加工工艺》

1、高速钢的加工工艺高速钢的加工工艺1 引言金属切削加工在当代机器制造业中，占有极其重要的地位，而切削刀具又是切削加工的关键之一。多少年来，人们为了提高切削速度，除了改革机床和刀具设计外，刀具材料一直是一个核心问题。从上个世纪的碳素工具钢，到现在的合金工具钢、高速工具钢、铸造合金、碳化物硬质合金、金属陶瓷、金刚石等，高速钢历经百年的发展，至今仍在刀具材料中占有重要位置，从20世纪60年代起，尽管在高速钢之后又发展了一系列超硬新型刀具材料，如硬质合金材料，但是对于制造形状复杂、磨削困难的刀具,如：拉刀、剃齿刀、插齿刀等。高速钢始终处于主导地位，特别是要求刀具具备高韧性时，只有高速钢才能满足要求。高速

2、钢以其胜任高速切削而著称，其所以经百年使用而不衰，主要是由于其具有硬质合金等超硬工具材料所不能比拟的强韧性及优良的可加工性。同时，高速钢比超硬材料成本低廉；碳素工具钢、低合金钢、铬模具钢具有更优良的热硬性及耐磨性能。因此被广泛用于制造高速切削刀具，如钻头、车刀、铣刀等，此外约有15%的高速钢被用于制作冷挤压模具及冷墩压模具。而热处理是工模具制造过程中的重要工艺之一，它可以保证和提高工模具的各种性能，如耐磨性、硬度等；还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷加工。与其他加工工艺相比，它一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改

3、善工件的使用性能。例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性。齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，而工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。高速钢作为刀具使用，在50-80m/s的高速切削加工时，当切割温度高达600左右时，仍具有高于HRC60的高硬度，且无明显的硬度下降(如高速钢经1280淬火后，热硬性可达620、W6Mo5Cr4V2高速钢经1240淬火后，热硬性可达625)，同时还具有很高的硬度、耐磨性和一定的冲击韧性。而碳素工具钢、低合金工具钢在200以下可以保持其工作性能，当

4、工具受热超过200-250时，硬度就显著下降，失去切削效能力。2 高速钢的铸态组织和锻造工艺2.1高速钢的铸态组织高速钢的铸态组织对机械热加工、热处理及其使用性能有着及其重要的影响。不同的高速钢虽然在成分上有较大的差异，但主要的合金元素如：钨、钒、铬等。下面以W18Cr4V为例进行说明。W18Cr4V的铸态组织大致由三部分组成，如图2-1所示，初生晶粒的四周为黑色组织，中心则为白色组织，中间呈网状分布的是具有骨骼状的莱氏体组织。 图2-1高速钢的铸态组织Fig. 2-1 The cast structure of high speed steel图2-2高速钢的铸态组织Fig. 2-2 The

5、 cast structure of high speed steel图2-3 Fe-W-Cr-C四元相图Fig. 2-3 quarternary phase diagram of Fe-W-Cr-C如图2-3所示，可以利用Fe-W-Cr-C四元相图的变温截面分析W18Cr4V钢的结晶过程，可以明确铸态组织的形成过程及特点。图2-3中未考虑V的影响，因为V和W、Cr一样，都是碳化物形成元素，当某一元素含量不大时，不会对组织结构有重大的影响，因此为了分析方便，可以忽略不计。根据W18Cr4V的成分含量可知，虚线I为其结晶过程线，通过分析虚线I可知，W18Cr4V首先从液相中析出含碳和合金都很少的

6、固溶体，即高温铁素体；当温度继续下降直至下降到包晶反应临界温度一下时开始发生包晶反应，析出寒碳和合金元素较高的固溶体（奥氏体）；继续冷却到13451310时，发生共晶反应（L+C），即生成主要含钨的复合碳化物和固溶体混合组成的骨骼状共晶莱氏体；再继续冷却，固溶体析出二次碳化物；当温度继续降低至870800时，铁素体开始析出；当冷却至800785时，固溶体共析分解为珠光体。在实际生产中，由于冷却速度较快，高速钢不会得到相图中所表示的平衡组织：珠光体（P）+转变了的莱氏体+碳化物。在结晶过程中，由于包晶转变不完全而保留下来的相会析出细小的碳化物，使其显微组织呈黑色，得到所谓的黑色组织，又称索氏体屈

7、氏体混合组织。而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，未转变部分则称为残余奥氏体，这种组织在显微观察时呈白色，即所谓的白色组织。所以W18Cr4V的铸态组织由黑色组织+白色组织+骨骼状的莱氏体组织组成。2.2 高速钢的锻造工艺通过分析结晶过程和对实际情况进行观察记录，可以发现，高速钢化学成分和铸态组织都是极不均匀的，并且会产生骨骼状莱氏体，这种组织硬而脆，且分布连续，因而性能不好。为了改善高速钢的铸态组织，需要对其进行锻打，以将粗大共晶碳化物打碎，并使其分布均匀，使其具有良好的组织形态。并大幅提高铸态组织的机械性能。由于高速钢的塑性和导热性较差，锻后一般还需缓冷。2.2.1

8、 锻造时的加热由于高速钢的导热性比较差，因此一般采取分段加热的方式，在400600装炉预热后缓慢升温至800850再进行保温，加热时间一般按1mm/min计算。随后快速加热至11501180，高温时快速加热，加热时间为0.5mm/min。在对高速钢锻造时，容易造成过烧，表面脱碳和氧化等缺陷，原因是由于加热温度过高或者在高温下停留时间过长所引起的。为防止该缺陷的产生，预热时要长翻转，炉内坯料要装炉适量，坯料表面达到始锻温度后进行保温，使内外温度和组织均匀一致，预热后的坯料应逐步向高温区推进，在高温区内要避免火焰直接喷射。另外在保证加热质量的前提下，尽量缩短坯料在高温区的停留时间。2.2.2加热次

9、数的确定加热次数通常由墩拔次数、设备能量以及操作工人的熟练程度来确定。次数太少，低于三次时，仅能达到毛坯成形的目的，并不能使碳化物得到很好的细化，并均匀分布；次数太多，高于五次时，将会导致因抗力过大而开裂，根据多年来的生产实践和对锻件的技术要求,加热次数为四次。2.2.3 锻造过程及方法当坯料加热到工艺要求的温度后，即开始锻造前，锤砧应预热到150250同时根据坯料尺寸大小，以及对零件的技术要求，采用最为合适的锻造方法。锻造方法如下：1. 单向墩粗。一次性墩粗到要求的尺寸，适用于原材料的碳化物偏析和疏松较轻微的，产品要求不高的锻件；2. 单向拔长。沿轴向将坯料一次拔长到所要求的尺寸，适用于长径

10、比较大的轴类零件，但该方法只能降低坯料边缘部位的碳化物等级，其芯部与原坯料无差异；3. 轴向反复墩拔。沿轴向墩粗到原高的1/2，再拔成方形，再墩粗再拔长，反复多次。这种锻造方法可使表面的碳化物呈细小均匀分布，但中心部碳化物改善甚微。适用于对表面强度、硬度要求严格，而中心要求不高的刀具锻件。如拉刀、铰刀、铣刀等；4. 径向十字锻造。将坯料墩粗后，沿其断面两个互相垂直的方向反复墩拔，最后再沿轴向成横向成形，这种方法对击碎外表和中心的碳化物，保证其沿径向均匀分布都十分有效，适用于制造工作部位在中心的工具，如挤压冲头等；5. 滚边锻造。坯料经墩粗后将其侧立，然后一面沿轴心转动，一面重击坯料边缘；随后墩

11、平、滚圆锻成所要求的尺寸，根据产品对碳化物偏析的要求重击和墩平可反复多次，这一方法适用于刃部要求高，芯部无特殊要求的圆饼形刀具。高速钢的锻造要求六面锻造，即三向墩粗和拔长的联合工艺，每次都要有一定的锻造比才能使共晶碳化物逐步变成无规则均匀分布或接近均匀分布。只经轻微锻造成型的工模具组织，碳化物呈网状堆集，只经单向拔长的工模具组织，碳化物呈带状堆集。高速钢塑性差，变形抗力大。在锻造过程中容易产生裂纹，针对这一锻造缺陷及和产生的原因。综合考虑后，主要从以下几个方面来消除和预防该缺陷：1. 坏料加热前，应清除表面缺陷或剥皮，以防在锻造时缺陷进一步扩大；2. 操作过程中，应严格执行“轻一重一轻”的锻造

12、方法，即在10501800时轻击，以锻合内部缺陷，防止开裂；在9501050时适当重击，以保证能打碎碳化物；在900950时轻击，防止锻裂；最后在850900时，进行最后一次平整修光，此时不能高于1000，否则被击碎的碳化物会重新聚集形成网状碳化物，将降低锻件的冲击韧性；3. 严格控制锻造温度范围，在规定的温度内进行锻造，当坯料温度下降时，应立即返炉，如果热效应使坯料温度上升,应减轻锤击力；4. 锻造时要做到温度和变形量均匀，拔长时，送进量要控制在锻件高度的0.60.8倍范围内，送进量过小锻不透，端面有凹陷。送进量过大，易产生十字裂纹；墩粗时，要勤调头，防止墩歪；拔长时翻转毛坯要均匀，拔圆时要

13、倒角，两角要在一条对角直线上，锤击力要轻，不要连击，否则会使中心拉裂；5. 锻造过程中，当发现坯料上出现细小裂纹，应及时加以铲除后再锻。2.2.4锻后冷却方法和锻后热处理工艺高速钢锻后在空气中自然冷却即能自行淬火，使锻件的硬度和脆性增高，由于冷却时的温度应力大，产生裂纹的可能性也大。因而必须进行缓慢冷却，其冷却方法如下：将锻件放在700750的炉中随炉缓慢冷却到650，然后放入灰坑中冷却到1000以下取出。小锻件锻后，可在炉内保温后随炉冷至50出炉室冷。锻件虽在灰坑中冷却，但其硬度仍然很高，为240270HB应及时进行退火，退火目的不仅是为了消除内应力、降低硬度以利于切削加工，同时也为了以后的

14、淬火准备较好的原始显微组织。W18Cr4V高速钢的锻后退火工艺有普通退火和等温球化退火两种工艺，为了减少淬火加热时的过热敏感性、变形、裂纹的倾向性，要求高速钢淬火前的原始组织应为球状珠光体，且含碳量大于0.5%的球状珠光体的切削性能优于片状珠光体，含碳量愈高，差别愈大。普通退火工艺为860880加热保温，然后以每小时1520的冷却速度冷到500出炉，仅冷却就需10小时左右，而如果采用等温退火，可大大缩短退火时间。因此为保证质量和缩短退火时间对高速钢锻后采用等温球化退火工艺,退火温度不能超过AC1过高(W18Cr4V钢AC1820840)，否则大量合金元素将溶入奥氏体中,使其在冷却时稳定性增大,

15、退火后硬度偏高。图 2-4 W18Cr4V锻后组织Fig. 2-4 Forging microstructure of W18Cr4V3 高速钢的热处理工艺高速钢内的化学成分特点，使得高速钢的红硬性能、耐磨性能和淬透性等性质需要经过热处理技术工艺才会表现出来。高速钢的热处理工艺主要包括锻造后退火、粗加工后去应力低温回火或高温回火、精加工的回火及淬火、低温回火等。需要冷热加工相互合作相互配合，才能保证优良高速钢工模具的使用寿命的延长。1. 预热。由于高速钢内化学元素较多，从室温直接加热至淬火的高温时，工件就会产生相应的内应力，会引起高速钢的变形和开裂。这种内应力在冷却的时候，也会增加高速钢变形开

16、裂的倾向，如果把冷却的工件直接加热到淬火高温，会延长高速钢工件在高温中的时间，也会增加高速钢的脱碳和氧化的倾向。因此需要在淬火加热以前，先进行两次预热来缩小其与高温炉之间的巨大温差，减少工件变形弯曲的可能。例加热工艺中550及850的预热。我们在处理这类高速钢工件的两次预热时，可在不同温度下的电炉进行。第一次预热，使高速钢工件表面水分烘干；在第二次预热时，就会使得高速钢工件的索氏体向奥氏体的转变可以在低温中进行；2. 淬火加热。在高速钢中有大量的难容碳化物如W、Cr、V等，这些化学元素只有在1200的高温，才可以大量的融入奥氏体内。融入奥氏体的合金元素数量越多，马氏体中的合金元素浓度就会越高，

17、从而获得最佳的硬度、红硬度和优秀的耐磨性。由于合金元素W、Mo等对高速钢的红硬性影响比较大，且也只能在1 000 高温以上，合金元素溶解量才会大量的增加。但是如果加热到l 300以上，即使合金元素溶解量还是有所增加，但奥氏体晶粒也会大量的增加，还可能在晶界处出现熔化的现象，从而导致高速钢韧性、强度减少。所以在淬火加热时，一定要严格控制加热时间和温度，在基本满足高速钢的要求下，应选用较低的加热温度和较短的加热时间；3. 淬火加热时间。淬火的加热时间与加热温度有着直接的关系，以高速钢来讲，淬火加热温度是第一选择。在淬火加热的高温范围内，如果加热温度高，相应的高速钢加热时间就会减少；如果加热温度低，

18、相应的高速钢的加热时间就会增加，淬火的加热时间按照工件的一般厚度和直径来计量，加热系数可以按照810mm。厚度偏小，可以取加热温度的下限；厚度偏大，则可以取上限，最小件的加热时间也不能少于2min；4. 冷却。高速钢在淬火加热以后冷却，就可以获取到马氏体，空冷后的工件较容易氧化，高速钢的冷却过程中出现的二次碳化物，会降低高速钢的红硬性和硬度。所以我们一般选用油冷的淬火冷却方式。经过淬火加温，高速钢的硬度可以达到HRC63，其组织结构是马氏体及少量的残余碳化物；5. 回火。进行回火时，为了消除淬火时产生的内应力，减少奥氏体的数量和稳定钢的组织结构，高速钢的二次硬化的温度一般在550570，进行回火3次。高速钢的热硬性在回火的过程中得到，回火时V与W的合金碳化物也从马氏体中分出，使得合金碳化物分散在马氏体的基体上，明显增加了高速钢的硬度。淬火马氏体转换为回火马氏体，残余的奥氏体也转换为马氏体，再次使得硬度增加，就保证了高速钢的硬度和红硬性，高速钢的强韧