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高性能高速钢刀具材料及热处理工艺

发布者: 长相有问题 | 发布时间: 2019-4-28 08:26| 查看数: 119| 评论数: 0|帖子模式

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高性能高速钢刀具材料及热处理工艺
哈尔滨第一工具制造有限公司 (黑龙江 150078) 邢 义 宋学全

高速钢自诞生以来,作为机械加工中切削刀具的最基础用材一直被广泛采用,尤其高性能高速钢、粉末高速钢的大量应用,使精密复杂高速钢刀具仍占据着刀具市场的较大份额。高性能高速钢按最终冶炼方法的不同可分为电弧炉冶炼高速钢、中频感应炉冶炼高速钢、电渣重熔冶炼高速钢、粉末冶金高速钢等种类。相对于高速钢刀具而言,尽管存在高速钢冶炼方式的差异,但刀具的耐用与否及使用寿命高低,更直接地与高速钢的化学成分以及热处理相关。因此,建立起“化学成分-组织结构-力学性能”三者的对应关系,选择适宜的材料及热处理工艺,对于保证高速钢刀具的使用性能尤为重要。

1.高性能高速钢的分类及刀具选材

(1)高速钢化学成分的基本特点及分类 高速钢就其冶金成分,归属于高碳、高合金型的工具钢。其中碳元素含量一般wC=0.7%~1.6%;W、Mo、Cr、V、Co等贵重主要合金元素含量(质量分数)之和在10%~40%。根据主要合金元素配比的不同,高速钢可分为W系高速钢、Mo系高速钢、W-Mo系高速钢,以及含Co、Al、高V等高性能高速钢。高速钢区别于其他类型钢另一个成分特点为:Cr元素含量固定在wCr=4%左右。

(2)通用高速钢主要牌号及刀具选用 高速钢刀具中,通用型高速钢制造的刀具比例最大,20世纪40年代起,在W6Mo5Cr4V2(M2)通用型高速钢成分确立后,各类高速钢钢种的发展演变多以此种牌号为基础展开,材料工作者通过核考W当量、以Mo代W,以及添加提高性能的Co、Al、V等元素进行合金化冶炼,使高速钢牌号增加达百余种。M2钢碳化物组织细小,碳化物分布均匀性好,钢材强度及塑韧性较好。通用型的高速钢,可供制造各类机加工用一般刀具,通常工件硬度≤280HBW,切削速度为25~40m/min。

(3)高性能高速钢主要牌号及应用 与通用型高速钢更看重实用性不同,高性能高速钢更加追求提高刀具材料的综合力学性能,以及提高刀具的切削速度,争取较长的使用寿命,符合现代切削加工发展的高性能需要。高性能高速钢一般泛指材料热处理硬度、耐回火性、耐磨性等显著高于通用型高速钢的钢种。高性能高速钢按合金化特点,可分成无钴、含钴、高钒、含钴高钒等几类高性能高速钢。表1为应用较多的几类高性能高速钢。

[size=0.8em]表1 几种常用高性能高速钢牌号及特性
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M42(W2Mo9Cr4V2Co8)是工具行业多年以来首选的含Co高性能高速钢,该钢是在通用型高速钢M7(W2Mo9Cr4V2)基础上添加8%Co(质量分数)变化而来,该钢种既保留了钼系高速钢韧性较好的特性,又显著提高了切削性能。M42钢具有高的硬度、耐磨性及热硬性,主要用于军品、高强度调质钢及不锈钢、耐热钢的加工。M42钢的不足是,在使用状态下脆性较大,刀具易发生崩齿、掉牙、脆断等提前失效的情况,近来有被强韧性兼具的M35替代的趋势。M42、M35使用状态下的硬度范围,我公司一般控制在:M42为66~68HRC,M35为 65~67HRC。由于Co高速钢价格较高,因此多用于精密复杂刀具的制造。

(4)粉末冶金高速钢的选用 粉末冶金生产高速钢是近几十年来发展起来的较为先进的高速钢冶炼生产新工艺,由于钢液被强制雾化成超细小的液滴颗粒并迅速冷却成细粉状,使高速钢铸造组织及碳化物得到了充分的细化,彻底改变和提高了高速钢的综合性能。20世纪70年代,伴随国外粉末雾化技术及大型冷、热等静压机的问世应用,使粉末高速钢生产得到了迅速发展。粉末高速钢解决了碳化物偏析问题,大大提高了钢材的强韧性,尤其是传统工艺生产的高合金、高性能高速钢,锻轧加工困难、锻造废品率高等问题得以完全控制。粉末高速钢还使铸锻工艺无法实现的超高合金含量的高速钢生产变为了现实。目前,粉末高速钢生产主要集中在瑞典、美国、奥地利、法国、日本及俄罗斯等少数发达国家,我国还没有粉末高速钢的生产企业,故开发生产国产粉末高速钢,市场前景广阔。粉末高速钢主要牌号及特点如表2所示。

[size=0.8em]表2 粉末高速钢主要牌号及特点
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2.高性能高速钢刀具热处理工艺选择概述

(1)淬火加热温度选择 高速钢中C及W、Mo、Cr、V等主要合金元素的含量多少,决定了刀具最终热处理淬火加热时,加热淬火的温度范围。最终淬火加热温度是刀具热处理工艺过程中最重要的工艺参数,适宜的淬火加热温度可确保刀具获得必要的高硬度(包括二次硬化)、高的热硬性及良好的强韧性,将满足机床和加工件对刀具高切削性能的需求。一般来讲,高速钢平衡碳差值小,碳饱和度高,宜选择较低加热温度淬火,通过研究M2钢发现,wC每增加0.1%,晶界出现熔化的温度下降11℃;反之,碳饱和度低,可选择中限以上温度淬火加热,使碳化物能更充分地溶解,获取较高的热硬性、耐磨性。高速钢中大量存在的合金碳化物,其形态与分布、溶解与析出也影响着淬火加热温度的选择,大颗粒碳化物多、碳化物偏析严重,以及低倍组织级别高、成分偏析大时,均应选择中限以下温度淬火。

(2)不同刀具品种淬火温度选择及淬回火组织控制 在不同服役条件下,各种机加工环境对刀具使用性能要求也有所区别。一般情况下,形状简单、连续切削、单刃半成品切削加工类的刀具,热处理可选择较高加热温度淬火;形状复杂、薄厚差大、超大规格、细长等高速钢刀具可选择中低限温度淬火。另外,对于杆类、镶齿圆锯刀齿等产品,需在高温盐浴炉进行表面局部加热的,可选用上限温度淬火;而整体在高温盐浴炉进行加热的产品,对于中小规格可选用中上限淬火加热温度,大规格则选用下限淬火温度。表3为以M42钢为例,部分刀具产品淬火加热温度范围及淬火晶粒度、过热程度合格级别要求,各类高速钢刀具产品回火程度要求均需小于2级。

[size=0.8em]表3 M42钢刀具淬火温度范围及金相组织要求
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(3)淬火加热时间选择及特大规格刀具热处理 淬火加热时间选择与淬火加热温度密切相关,对于高速钢产品,淬火加热温度的选择是第一位的。在淬火工艺温度要求范围内,淬火加热温度较高,淬火加热时间可相对减少;淬火温度较低,淬火加热时间可相对增加。通常,淬火加热时间可按产品的有效厚度进行计算,加热系数可按8~10s/mm。有效厚度特小的,可取上限,特小件最少加热时间也不得少于2min;有效厚度较大,可取下限,对于超大规格拉刀、滚刀等加热时间选择,可根据现场设备、压温等实际情况决定,一般可在高温加热炉指示温度恢复到设定值透烧后,加热保温8~10min。产品在盐浴炉加热及冷却中,必须要保持单件加热状态。

特大规格刀具热处理,除需要选择合理的淬火加热温度、保温时间,以及选用合适的工夹具以外,另一个重要的工艺关键是如何采取措施来保证刀具的热处理硬度要求,并避免刀具产生热处理开裂或严重的热处理变形。在实际热处理生产过程中,通过多年工作经验的积累,采取以下几种措施往往可取得较好的效果:①对设计不良、加工不当等可引发热处理缺陷的,必须加以改进,如减少截面急剧变化、加大键槽圆角、避免出现缺口尖角等,以防止刀具在热处理时产生过大的局部应力集中。②最终热处理前,可根据工件实际情况,选择在720~760℃,进行高温回火2~4h,以消除加工应力,做好淬火组织准备。③热处理淬火加热、淬火冷却,均可采用多温度预热、等温工艺;回火可增加等温预热,以防止回火开裂。④热处理终了、成品磨削加工后,进行低温时效处理 。

3.结语

随着数控机床、加工中心等先进机加工设备的广泛应用,以及追求难加工材料的高速切削、高精度切削目标,使金属切削刀具的发展必须变得更高、更快、更强,高速钢刀具无疑将面临巨大的挑战。因此,高性能高速钢刀具材料及热处理工艺的生产开发及选择,必将成为未来高速钢发展的重要方向。


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