白鋼刀基本知識

瀏覽[19135]次 [2009-11-22]

白鋼是中國對高速鋼的一個俗稱，也叫鋒鋼。
　　目前白鋼車刀的主要用料為：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V1、W4Mo3Cr4V1、W4Mo2Cr4V1，其中W6　Ｗ18綜合性能好，韌性和耐磨性都比較好，順序也是逐降。后面及個牌號都是為了降低成本而開發的。

(一)高速鋼的化學成分、鑄態組織和碳化物類型
　　在高速切削過程中，刀具的刃部溫度可達600℃以上，低合金鋼刃具已不能滿足這種要求。因此，就必須選用高速鋼（這是一種合金元素含量很高的刃具鋼），它在600℃時，仍能使硬度保持HRC60以上，從而保證其切削性能和耐磨性。高速鋼刀具的切削速度可比碳素工具鋼和合金工具鋼刀具增加1～3倍，而耐用性增加7～14倍，因此，高速鋼在機械制造工業中被廣泛地采用。
我國常見的高速鋼為鎢系（W18Cr4V）和鎢鉬系（W6Mo5Cr4V2）。它們的成分見下表。
表8-2-3 鎢系和鎢鉬系高速鋼的成分
鋼號化學成分（%）
C Si Mn Cr Mo W V
W18Cr4V 0.7
0.9 ≤0.4 ≤0.4 3.8
4.4 ≤0.3 17.5
19 1.0
1.4
W6Mo5Cr4V2 0.8
0.9 ≤0.4 ≤0.4 3.8
4.4 4.5
5.5 5.5
6.7 1.75
2.2
(二)高速鋼的鍛造和熱處理
1、鍛造
　　高速鋼的鑄態組織很不均勻。大量不均勻分布的粗大碳化物，將造成強度及韌性的下降。這種缺陷不能用熱處理工藝來矯正，必須借助于反復壓力熱加工(鍛、軋)，將粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使其均勻分布在基體內。
　　鎢系高速鋼的始鍛溫度為1140～1180℃，終鍛溫度為900℃左右。
　　鎢鉬系高速鋼的始鍛溫度要低一些。
　　終鍛溫度太低會引起鍛件開裂，而終鍛溫度太高(大于1000℃)會造成晶粒不正常長大，出現萘狀斷口。由于高速鋼在空氣中冷卻即可進行馬氏體轉變，所以鍛造或軋制以后，鋼坯應緩慢冷卻，以防止產生過高的應力導致開裂
2、退火
　　高速鋼鍛造以后，必須進行球化退火，其目的不僅在于降低鋼的硬度，以利切削加工，而且也為以后的淬火作組織上的準備。18-4-1鋼退火溫度為860℃～880℃，即略超過A1溫度。在該溫度保溫2～3h。這樣，奧氏體內溶入的合金元素不多，奧氏體穩定性較小，易于轉變為較軟的組織。圖8-2-7的組織為索氏體加碳化物。
圖8-2-7 高速鋼球化退火組織（索氏體加碳化物）
3、淬火
　　高速鋼的優越性只有在正確的淬火及回火之后才能發揮出來。其淬火溫度較一般合金工具鋼要高得多。
　　因為溫度越高，合金元素溶入奧氏體的數量越多，淬火之后馬氏體的合金濃度越高。只有合金含量高的馬氏體才具有高的紅硬性。圖8-2-8顯示出了淬火溫度對奧氏體(或馬氏體)內合金元素含量的影響。
　　圖8-2-8 淬火溫度與奧氏體內合金元素的含量
高速鋼淬火加熱溫度越高，奧氏體內的合金溶解度也越高，其中鎢元素需要很高的加熱溫度才能溶解。
　　由圖可知，對高速鋼紅硬性作用大的合金元素—W、Mo及V只有在1000℃以上時，其溶解量才急劇增加。溫度超過1300℃時，各元素的溶解量雖還有增加，但奧氏體晶粒則急劇長大，甚至在晶界處發生溶化現象。因而，淬火鋼的韌性大大下降。所以，在不發生過熱的前提下，高速鋼的淬火溫度越高，其紅硬性則越好。
　　由于高速鋼的導熱性差，而淬火溫度又極高，故常常分兩段或三段進行加熱。淬火通常在油中進行，或采用分級淬火法。鋼的正常淬火組織是碳化物＋馬氏體＋殘余奧氏體(30%左右)。圖8-2-9為高速鋼的正常淬火組織。
圖8-2-9 高速鋼的正常淬火組織
4、回火
　　為了消除淬火應力，穩定組織，減少殘余奧氏體的數量，達到所需要的性能，高速鋼一般需進行三次650℃保溫1h的回火處理。高速鋼的熱處理工藝規范見圖8-2-10。圖8-2-11示出了回火溫度對18-4-1和6-5-4-2高速鋼強度(sbb。ss)硬度和塑性的影響。
圖8-2-10高速鋼的熱處理工藝規范圖
左上圖，顯示了奧氏體中合金元素的溶解溫度與淬火加熱溫度的關系。右上圖，顯示了回火溫度與高速鋼硬度之間的關系。下圖顯示了高速鋼的整個熱處理工藝--①球化退火工藝②淬火工藝③④⑤三次回火工藝。
圖8-2-11 回火溫度與18-4-1高速鋼的強度、硬度
　　圖中藍線顯示的是回火溫度，高速鋼在這個溫度回火具有很高的硬度，較好的強度和塑性
　　回火溫度在500-600℃之間，鋼的硬度、強度和塑性均有提高，而在550-570℃時可達到硬度、強度的大值。在此溫度區間，自馬氏體中析出彌散的鎢(鉬)及釩的碳化物(W2C、Mo2C、VC)，使鋼的硬度大大提高，這種現象稱為二次硬化。
　　與此同時，當回火溫度500～600℃之間時，殘余應力松弛，基體中析出了部分碳化物，使殘余奧氏體中合金元素及碳含量下降，Ms點升高。這種貧化的殘余奧氏體，在回火后的冷卻過程中，轉變為馬氏體，使鋼的硬度也有所提高，這種現象稱為二次淬火。
正常回火后硬度為HRC63～66，其組織為回火馬氏體加碳化物(見圖8-2-12)。
圖8-2-12 高速鋼回火組織（馬氏體+碳化物）
高速鋼回火組織是黑色的回火馬氏體加白色的碳化物。
5、高速鋼的表面強化
　　為改善刃具的切削效率和提高耐用性，生產上經常對刃具進行表面強化處理。
　　表面強化主要有化學熱處理和表面復層處理兩類。前者包括蒸氣處理、氣體軟氮化、離子氮化、氧氮化(氧氮共滲)等。
表面復層處理則使金屬表面形成耐磨的碳化鈦、氮化鈦復層，許多國家已用于生產。
(三)高速鋼刃具的熱處理缺陷
　　高速鋼熱處理時經常出現的主要缺陷有：過熱。過燒、變形開裂、硬度不足、脫碳、萘狀斷口及腐蝕麻點。
（1）過熱：
　　由于淬火溫度過高等原因，造成晶粒過大，剩余碳化物數量減少，碳化物出現粘連。拖尾、角狀或沿晶界呈網狀分布的現象稱為過熱(圖8-2-13)。
圖8-2-13高速鋼的過熱組織
高速鋼過熱組織的特征是碳化物沿晶界呈網狀分布。

2）過燒：
　　淬火溫度接近鋼的熔化溫度，晶界熔化，出現萊氏體及黑色組織，稱為過燒(圖8-2-14)。過燒的刃具，常常出現嚴重的變形或皺皮現象，這種缺陷是不可挽救的。
圖8-2-14高速鋼的過燒組織
高速鋼過燒組織的特征是出現呈魚骨狀的萊氏體。
（3）脫碳：
　　高速鋼的脫碳組織如圖8-2-15所示。表面脫碳使工具的硬度降低，金相組織中出現有明顯的鐵素體，在其基體上還有碳化物存在。鋼的表層脫碳，使Ms點升高，在淬火時，表層先轉變為馬氏體，形成一層薄的硬殼，隨后心部進行馬氏體轉變時，體積膨脹，表層受到張應力，易于引起開裂，同時其硬度和耐磨性也降低，從而大大降低刃具壽命。
圖8-2-15高速鋼的脫碳組織
（4）萘狀斷口：
.　　萘狀斷口呈閃光粗粒狀，有如萘光，故得名。其金相組織為粗大的晶粒(圖8-2-16)。產生萘狀斷口的刀具，強度、韌性極低，使用時易崩刃或折斷，是一種不可挽救的缺陷。萘斷口的形成主要是由于停鍛溫度過高(1050～1100℃)，而且變形量又在10～15％左右，或由于需返修而進行兩次淬火，其間未經退火造成的。如果淬火前不進行充分退火，也容易產生萘狀斷口。

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