高速鋼屬萊氏體鋼,含有大量合金元素,冶煉后形成大量一次共晶碳化物和二次碳化物(約占成分總量的18%~22%),這對高速鋼刀具的淬火質量及使用壽命有很大影響。高速鋼淬火溫度接近熔點,淬火后組織中仍有25%~35%的殘余奧氏體,致使高速鋼刀具容易產生裂紋和腐蝕。下面分析影響高速鋼刀具淬火裂紋和腐蝕的原因,并提出相應預防措施。

1 高速鋼原材料的冶金缺陷

高速鋼中所含大量碳化物硬而脆,為脆性相。一次共晶碳化物呈粗大骨骼狀(或樹枝狀)分布于鋼基體內。鋼錠經開坯壓延和軋制后,合金碳化物雖有一定程度的破碎和細化,但碳化物偏析依然存在,并沿軋制方向呈帶狀、全網狀、半網狀或堆積狀分布。碳化物不均勻度隨原材料直徑或厚度的增加而增加。共晶碳化物相當穩定,常規熱處理很難消除,可導致應力集中而成為淬火裂紋源。鋼中硫、磷等雜質偏析或超標也是導致淬裂的重要原因。高速鋼的導熱性和熱塑性差、變形抗力大,熱加工時易導致金屬表層和內層形成微裂紋,最終在淬火時因裂紋擴展而導致材料報廢。大型鋼錠在冶煉、軋制或鍛造等熱加工過程中形成的宏觀冶金缺陷如疏松、縮孔、氣泡、偏析、白點、樹枝狀結晶、粗晶、夾雜、內裂、發紋、大顆粒碳化物及非金屬夾渣等均易導致淬火時應力集中,當應力大于材料強度極限時便會產生淬火裂紋。
預防措施為:①選用小鋼錠開坯軋制各種規格的刀具原材料;②選用二次精煉電渣重熔鋼錠,它具有純度高、雜質少、晶粒細、碳化物小、組織均勻、無宏觀冶金缺陷等優點;③對不合格原材料進行改鍛,擊碎材料中的共晶碳化物,使共晶碳化物不均勻度≤3級;④采取高溫分級淬火、再高溫回火的預處理工藝,通過精確控溫等措施,可有效避免高速鋼原材料冶金缺陷引起的淬火裂紋。

2 高速鋼過熱、過燒組織

高速鋼過熱、過燒組織的特點為晶粒顯著粗化,合金碳化物出現粘連、角狀、拖尾狀及沿晶界呈全網狀、半網狀或連續網狀分布;鋼組織內部局部熔化出現黑色組織或共晶萊氏體,形成過燒組織,顯著降低晶間結合力和鋼的強韌性。引起高速鋼過熱、過燒組織的主要原因有:淬火加熱溫度過高,測溫和控溫儀表失準;鹽浴爐淬火加熱時,因鹽浴表面煙霧導致輻射高溫計測溫出現誤差;變壓配電盤磁力開關失靈;刀具加熱時離電極太近或埋入爐底沉積物中;原材料存在大量角狀碳化物或碳化物不均勻度等級太高等。高速鋼過熱、過燒組織極易導致淬火裂紋。
預防措施為:①嚴格控制原材料質量,共晶碳化物級別應≤3~3.5級;②原材料入庫和投產前應作金相檢查,確保無宏觀冶金缺陷;③刀具淬火加熱前用試片校驗高溫鹽浴爐,檢查晶粒等級與淬火加熱溫度的關系是否合理(參見下表);④采用微機控溫與測溫,測溫精度達到±1.5℃。
表  W6Mo5Cr4V2高速鋼碳化物級別與過熱淬火加熱溫度
共晶碳化物
不均勻度等級
出現過熱(晶粒度8#)的
淬火溫度(±5℃)
≤3 1260℃
3.5 1250℃
4.5 1245℃
7.5 1240℃
8.5 1230℃

3 萘狀斷口

萘狀斷口是高速鋼常見的組織缺陷,斷口呈魚鱗狀,類似大理石,具有萘的光澤,斷口極粗糙,晶粒粗大(可達Ø1mm)。由于材料脆性大,強韌性低,高溫奧氏體化淬火時容易形成淬火裂紋。在熱鍛、軋制、壓延等熱加工時,經1050~1100℃高溫奧氏體化,熱塑性變形在5%~10%臨界變形、精鍛溫度不當及重復淬火時未經中間退火(或退火不充分)等因素均易形成萘狀斷口,導致淬火裂紋。
預防措施為:①合理選擇精鍛溫度,嚴格控制終鍛溫度(≤1000℃),鍛后緩冷;②鍛坯淬火前應充分退火;③避免在5%~10%臨界變形;④進行超晶粒細化處理等。采取以上措施可有效抑制高速鋼萘狀斷口的形成,避免產生淬火裂紋。

4 機械設計與冷加工不當引起應力集中

刀具厚薄不均、因棱角、銳邊、尖角、溝槽、孔、凸臺等形狀突變而產生缺口效應以及冷加工表面粗糙、刀紋較深、存在碰傷及打標記等均可導致高速鋼刀具淬火時應力集中,從而誘發淬火裂紋。<
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