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影响高速钢韧性的因素



影 响 高 速 钢 韧 性 的 因素

许 达 , 俞 峰, 罗 迪


(钢铁研究总院结构材料研究所,  北京 100081)


      用自制药芯焊丝对 H13(4Cr5MoSiV1)钢模具进行焊接修复。 用洛氏硬度计、显微硬度计及金相显微镜研究了 H13 钢的不同焊接材料及焊前预热处理工艺对焊缝组织和强度的影响。 结果表明:自制药芯焊丝焊接接头母材及焊缝显微硬度接近,且焊接接头晶粒细小,硬度分布均匀,有效减少了焊缝及热影响区(HAZ)的应力集中现象。 自制药芯焊丝中合金元素含量较高且含碳量低,易形成等轴晶粒细化焊缝组织,提高焊缝金属耐磨性。 同时,焊前预热工艺可延缓焊后焊缝冷却速度,降低焊缝热影响区显微硬度。摘  要:分析了化学成分、冶炼方法、钢中碳化物和热处理工艺等因素对高速钢韧性的影响。 结果表明 :纯净度高、杂质元素含量低和夹杂物少的钢韧性较高;同一钢种随碳含量升高其韧性降低 ;在同一类型钢种中, 通常 W- M o 系钢的韧性优于 W 系钢;碳化物分布均匀、颗粒尺寸细小的钢韧性高, 而碳化物分布不均匀、粗大角状碳化物多的钢韧性差;粉末高速钢的韧性显著优于常规方法生产的高速钢。 热处理是影响高速钢韧性的另一个重要因素:随淬火温度升高, 钢的韧性下降;回火温度较低和回火程度不充分时, 也会显著降低钢的韧性。
关键词:高速钢;韧性
中图分类号:T G142. 4 文献标识码:A 文章编号:1001-0963(2006)11-0001-06


Factors Affecting Toughness of High Speed Steels

XU Da, YU Feng , LUO Di
(Institute fo r Structural M ateria ls ,  Central  Iro n and S teel  Research Institute ,   Beijing 100081 ,  China)、


Abstract :T oughness is v ery impo r tant  fo r hig h  speed steel (HSS) w hich  affects  stro ng ly  the properties and life of cutting too ls. F acto rs affec ting toughness o f HSS have been studied. T he result sho wed that the toug hness of HSS is influenced by chemical compositions,   steelmaking methods ,  inclusions ,  ca rbides  and heat  treatment.  T he to ug h- ness increases under the conditio n of better purity and few er inclusions and decreases with increasing C content fo r the same g rade o f steels.  W-M o type steels are better than W ty pe in  to ug hness.  Distribution ,  g rain  size and shape of  ca rbides  are also impo rtant facto rs.  T he to ug hness o f pow der metallurg y H SS  is  remarkably better than conven- tio nal HSS. Heat treatment is also ano ther important facto r , and the to ug hness will decrease fo r higher hardening temperature and low er  tempering  temperature.  Possible w ays  of  improving the toug hness are also  discussed.
Key words:hig h  speed steel;toughness

      韧性是高速钢的一个重要性能, 对切削刀具的质量、使用寿命都有重要影响, 尤其在断续切削条件下。因为断续切削时刀具将承受较大的冲击负荷, 如果韧性不好, 则容易产生崩刃, 从而使刀具报废。 韧性不好还会加重刀具的磨损, 因为许多磨损是由于微小的崩刃引起的。由此可见, 若要提高切削工具的质量,就必须设法改善高速钢的韧性。因此有必要研究影响高速钢韧性的因素, 寻找提高韧性的方法。
高速钢属于高碳高合金莱氏体钢, 钢中含有大量硬而脆的合金碳化物, 成分和组织均很复杂, 所以影响韧性的因素很多, 而且有些因素还相互制约 、相互影响。 不同的钢种韧性不同,  即便是同一钢种, 韧性也可能有很大的差异。 用同一钢种制造的刀具,它们的硬度 、红硬性和高温硬度等性能都很相近 , 但由于韧性差异较大, 所以切削性能和使用寿命都可能出现较大的差别。
      在此, 对化学成分、钢质量(主要是纯净度及碳化物两方面)和热处理等因素的影响进行了分析和讨论。应说明, 文中所讨论的高速钢的韧性是指钢在淬火和回火处理后的韧性, 即应用状态的韧性。


1 化学成分


1. 1  杂质元素
      钢中杂质元素磷、氧以及白色低熔点元素砷、锑、锡 、铅和锌等含量高时 , 会明显导致高速钢的韧性下降。
1. 1. 1 磷
      磷是重要的有害杂质元素, 能显著降低高速钢的韧性。 图 1 示出了磷含量对 W18Cr4V  钢抗弯强度的影响[ 1]   。可见随着磷含量的提高, 钢的抗弯强度明显下降。所以为了提高高速钢的韧性, 磷含量应愈低愈好。但是, 由于高速钢在冶炼过程中脱磷困难, 所以必须慎重选用炼钢原料, 将钢中的磷含量严格控制在 0. 03  以下。 对于超硬高速钢来说, 由于钢种本身较脆, 因此降低钢中的磷含量更加重要,如能将钢中的磷降至 0. 01  以下, 可进一步提高钢的使用性能。
1. 1. 2 氧
      氧也是降低高速钢韧性的有害杂质元素。钢中氧含量愈高, 夹杂物愈多, 而基体中游离状态的氧也愈多。它们对高速钢的韧性和塑性都极为不利。
1. 1. 3    砷 、锑、锡、铅和锌
      砷、锑 、锡、铅和锌等白色低熔点杂质元素主要由原料带入钢内, 它们极易偏聚在钢的晶界和相界上, 对钢的韧性和塑性都将产生严重的危害[ 2]   。 这些杂质元素在冶炼时无法去除, 加入稀土元素有一定的去除作用。当钢中白色杂质元素含量较高时,钢像玻璃一样脆。通常认为高速钢中的锑和铅等杂质元素应控制在 0. 045  以下。
1. 2 合金元素
1. 2. 1 碳
      高速钢的韧性对碳含量十分敏感。 通常, 同一钢种在其它合金元素相同的情况下, 随着碳含量的增加, 韧性下降。 图 2 示出了碳含量对高速钢的抗弯强度和冲击韧性的影响。 可见随着碳含量的增加, 高速钢的抗弯强度和冲击韧性都明显下降。 表 1给出了W18Cr4V 和CW18Cr4V 两种高速钢在淬火及回火后的抗弯强度和冲击韧性。 可见两种钢的合金元素相同, 碳的质量分数分别为 0. 7   ~ 0. 8  和0. 9   ~ 1. 0   , 虽然相差仅约 0. 2   , 但两种钢的韧性差异却很大。 W18Cr4V 钢的韧性明显高于CW18Cr4V 。


     

      一般情况下, 随着碳含量的增加, 钢经淬火和回火后的硬度及红硬性将提高, 这对提高钢的切削能力有利。 例如加工中 、高强度钢和不锈钢等有一定难度的材料时, 使用W18Cr4V 钢刀具很困难, 而使用CW18Cr4V 钢刀具则可以。 但是CW18Cr4V 钢只能作为连续加工的刀具, 而不能用于断续切削加工刀具。因为CW18C r4V 钢的韧性差,  在断续切削时刀具很容易崩刃损坏。
1. 2. 2 钼
一般情况下, 对于相同类型的高速钢, W-M o 系钢种的韧性比 W 系钢好。 表 2 列出了 4 种通用型高速钢的抗弯强度和冲击韧性。 其中, W18Cr4V 属于 W 系高速钢, W6M o5C r4V 2 、W9M o3Cr4V  和 W7M o4Cr4V 均为 W-Mo 系高速钢。可见, 无论是抗弯强度还是冲击韧性, W18Cr4V 都低于其余 3 种W-M o 系高速钢。




3 碳化物
碳化物也是影响高速钢韧性的重要因素, 碳化物颗粒愈粗大, 分布愈不均匀, 钢的韧性也愈差。此外, 碳化物的数量、类型和形状等也会对钢的韧性产生影响。 对于同一钢种, 当碳化物为分布较均匀的球形小颗粒时, 钢的韧性则较好。 粉末高速钢中碳化物颗粒尺寸细小, 多在 3 μm 以下, 而且分布很均匀, 因此该钢的韧性很好。 大多数粉末高速钢的碳含量和合金元素含量都很高, 并多属于高钒和高钴钢, 韧性都比较好, 抗弯强度都在 4 000 M Pa 以上。表 7 列出了粉末高速钢CPM Rex T 15 和常规方法生产的 T 15 钢的抗弯强度[ 2]   。 T 15 钢的化学成分为
 
W12Cr4V 5Co5 , 碳的质量分数约为 1. 5   。 从表 7可见, 粉末高速钢 CPM Rex T 15 的抗弯强度高达 4 674 M Pa , 比常规方法生产的 T 15 钢高 1 倍多。由此可见, 碳化物分布的均匀性和颗粒尺寸对高速钢韧性的影响很显著。

4 热处理
淬火前, 高速钢应处于完全退火状态, 否则在淬火后会出现混晶或萘状断口等缺陷使钢变脆, 甚至报废。一般情况下, 出厂的钢材都已经过完全退火处理, 否则工具厂必须进行完全退火处理。另外, 如果工具机械加工应力过大, 应先进行消除应力退火后再淬火。
4. 1  淬火处理
4. 1. 1 淬火温度
淬火温度对高速钢淬火和回火后韧性的影响很大。 一般规律是 :当淬火温度高达某一温度后 ,随淬火温度的升高, 钢的韧性下降。 对于不同的钢种该温度也不同。 例如对于 W18C r4V 钢, 该温度约为 1  220  ℃;对于 W6M o5Cr4V 2 钢, 该温度约为 1 180  ℃;对于 W2M o9Cr4VCo 8 钢, 该温度为 1 180 ~ 1 190 ℃。然而当作为切削工具时, 高速钢的淬火温度都很高, 一般均高于上述这些钢的温度, 所以高速钢的韧性随淬火温度升高而下降[ 2] , 见表 8 、图 3 和图 4 。
图 3 为淬火和回火温度对 W6M o5C r4V 2 钢抗弯强度的影响。 图 4 示出了淬火和回火温度对 W2M o9Cr4VCo8 钢无缺口冲击韧性的影响。 从图 4及图 5 可看出, 当淬火温度超过某一温度后, 随淬火温度的升高, 抗弯强度及冲击韧性均下降。
4. 1. 2 冷却速度
高速钢经淬火保温后, 如果冷却速度缓慢, 先共析碳化物会沿奥氏体晶界析出, 这将对钢的硬度和韧性均产生不利影响。因为碳化物析出使基体中的碳和合金元素的过饱和度降低, 致使二次硬化效果弱化 ;碳化物沿晶界析出时 , 会弱化晶界, 造成钢的韧性下降。所以采用分级淬火和真空淬火时尤其应注意冷却速度不能太慢


4. 1. 3 贝氏体淬火
贝氏体淬火可改善高碳高合金含钴高速钢的韧性。 但贝氏体淬火后钢中的残余奥氏体量多, 应及时回火。
4. 2  回火处理
4. 2. 1 回火温度
回火处理对高速钢韧性具有显著影响。 从图 3
可以看出, W6Mo5Cr4V 2 钢经 1 220  ℃淬火后 , 在
560 ℃回火后的抗弯强度比540 ℃回火提高约 1 000
MPa。 从图 4 可以看出, W2Mo 9Cr4VCo8 钢在 560
℃回火后的冲击韧性明显高于 530 ℃回火。 因此,高速钢在淬火后进行回火时, 应在保证硬度的前提下, 选择较高的回火温度, 这对韧性很有利,  并能改善钢的使用效果。
4. 2. 2 回火处理程度
回火处理时, 一定要充分回火, 否则将会降低钢的韧性。 曾经发生过因回火不充分造成刀具脆断的事故。
5 分析和讨论
材料的破断通常是因裂纹源的产生及扩展引起的, 高速钢也如此。 在高速钢中, 夹杂物、碳化物及碳化物与基体的交界面等处都是微裂纹容易产生的地方, 它们都可能成为裂纹源。 因此, 钢中夹杂物多, 尤其是 Al2 O 3   等氧化物夹杂多时, 钢的韧性变差, 这就是纯净度对钢韧性影响的重要原因。
高速钢中的合金碳化物硬而脆, 在外力作用下
易开裂而形成微裂纹(见图 5)。 碳化物愈粗大, 形状多为角状时愈容易造成开裂。 以W18Cr4V 为代表的W 系高速钢中的碳化物比较粗大, 角状居多, 而且分布均匀性也较差, 所以是W 系高速钢韧性较差的重要原因。在高速钢中容易开裂而成为裂纹源的碳化物有以下几种 :粗大的角状 M 6 C 、形状不规则的大尺寸M 2 C 、M C 及复合碳化物 M 6 C +M C 和M 6 C +
MC +M 2 C 等[ 3 , 4]   。
微裂纹的扩展与钢基体的韧性密切相关。高速钢在淬火和回火后的基体组织主要是回火马氏体。淬火温度愈高, 则奥氏体晶粒愈粗大, 马氏体针也愈大, 使钢的韧性较差。并且淬火温度愈高, 基体中的碳和合金元素含量也愈高, 马氏体的正方度也愈大,畸变应力就愈大, 更有利于孪晶马氏体的形成。 因此, 高速钢的淬火温度高时, 基体韧性差。 另外, 如果回火不充分, 钢中存在较多的淬火马氏体, 则钢的韧性差, 微裂纹扩展也更容易。
钢中杂质元素偏聚在奥氏体晶界上致使晶界弱化, 钢的韧性变差。 当钢中氧含量高时, 不仅夹杂物多, 而且游离态的氧也愈多, 对基体的韧性很不利。所以, 当钢的纯净度低时, 不但易产生微裂纹, 而且微裂纹也易扩展, 从而导致钢的韧性下降。
当钢中碳化物粗大、分布不均匀、堆积严重时,不但容易产生碳化物微裂纹, 并且微裂纹也容易沿着碳化物堆积处扩展, 对钢的韧性产生较大的危害。由于粉末高速钢中碳化物颗粒细小, 而且分布均匀,
 
微裂纹既不容易产生, 也不容易扩展, 故粉末高速钢的韧性远高于常规方法生产的高速钢。
当钢中碳含量较高并含钴时, 易在淬火后产生孪晶马氏体, 使钢基体的韧性下降, 所以高碳含钴钢的韧性一般都比较低。

6 结论
(1)钢中的杂质元素磷、氧、砷、锑、锡、铅和锌等含量高时, 对高速钢的韧性不利。钢材纯净度高, 有利于韧性提高。
(2)化学成分对高速钢的韧性影响显著。 同一钢种, 随碳含量的增加韧性下降。对于同类型钢种, W-M o 系钢的韧性优于 W 系钢。 当钢中加入元素钴后, 会导致韧性降低。 钢中铝的质量分数不超过
1  时, 钢的韧性不会下降。
(3)夹杂物多, 特别是 B 、C 和D 类夹杂物多时,会降低高速钢的韧性。
(4)碳化物对高速钢的韧性影响很大。 钢中碳化物分布均匀性愈差, 粗大角状碳化物愈多, 钢的韧性愈差。 碳化物分布均匀、颗粒尺寸细小的钢韧性好。 粉末高速钢的韧性显著优于常规方法生产的高速钢。
(5)热处理是影响高速钢韧性的另一个重要因素, 当高速钢淬火温度高时, 随淬火温度升高, 钢的韧性下降。当回火温度较低和回火程度不充分时,钢的韧性也会下降。

参考文献:

[ 1]     盖勒约.   工具钢[ M] .  周倜武,   译.  北京:国防工业出版社,
1983.
[ 2] 邓玉昆, 陈景榕, 王世章. 高速工具钢[ M] . 北京:冶金工业出版社, 2002.
[ 3]     罗  迪,  邢国华,  李文成,  等.  冷拔高速钢丝中的碳化物[ J]     .
钢铁, 1988 , 23(9):36-39.
[ 4] 罗  迪, 邢国华, 刘  宇, 等. M 42 高速钢中的碳化物[  J] .   钢铁, 1991 , 26(10):35-38.











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