碳化物对高速钢刀具寿命的影响

碳化物对高速钢刀具寿命的影响

赵步青1，龚真忠1，纪正祥1，张振刚2，张林2，李燕君2 (1．河南一工工具有限公司河南453002；2．江苏镇江拓普工具公司，江苏镇江212014) 摘要：高速钢大量的碳化物是高速钢性能的重要保证，然而，碳化物分布不均匀、粗大角状碳化物、 碳化物开裂、碳化物粘连等缺陷对钢的质量和性能都会产生不良影响，最终导致刀具寿命低下。深 入了解碳化物的形态，做好转化和转变，对提高刀具寿命非常有益。 关键词：高速钢；碳化物；刀具寿命 中图分类号：TGl42．45文献标识码：A 文章编号：1673—4971(2011)03—0060一05 

高速钢是高碳高合金莱氏体钢，含有大量的合 金碳化物。碳化物对高速钢的性能和质量起着关键 的作用，抓住碳化物这个本质问题，就是把握了高速 钢刀具热处理的命脉。对于高速钢来讲，碳化物是 一把双刃剑，它既保证了高速钢具有很高的硬度、耐 磨性、红硬性等使用性能，但同时又可能是产生各种 质量问题的重要根源。为了提高高速钢刀具的寿 命，就必须深入研究钢中的碳化物，深刻认识碳化物 的生成和变化的规律。 高速钢中的碳化物种类多，形态各异，碳化物的 数量、类型、分布、形状和尺寸等因素都会对钢的性 能和质量产生影响，这些都是刀具热处理工作者应 关注的问题。 1 碳化物对刀具寿命的影响 高速钢中的碳化物，按其在钢中存在的具体特 征及实际生成情况，可分成一次碳化物和二次碳化 物两大类。前者是钢液凝固过程中直接从液体中析 出，包括各种先共晶和共晶碳化物，有M。C、M：C和 MC等不同类型，它们在随后的热加工和热处理过程 中被破碎或被分解成颗粒状存在于钢中，一般情况 下也称之为“一次碳化物”；后者是在凝固或热处理 过程中从固态基体中析出的，这些固态基体包括高 温8铁素体、奥氏体及马氏体等j二次碳化物分 M。C、MC、M：，C6、M，C3及M：C等不同类型。值得注 意的是，高速钢中碳化物的化学成分可能在较宽的 范围变动，同一类型的碳化物在不同的钢中会有不 收稿日期：2010—08-30 作者简介：赵步青(1943一)，男，高级工程师，主要研究方向为工模具、刀具热处理工艺技术。 联系电话：15067596339；E—mail：Zs94272@163．conl 万方数据第3期 赵步青等：碳化物对高速钢刀具寿命的影响 ·6l· 同的成分；即使是在同一钢中，也会因生成条件不同 而有差别，甚至在同一颗碳化物的不同部位，其化学 成分也可能有所不同，需要认真分析研究。 (1)一次碳化物对刀具寿命的影响。业已查 明，高速钢之所以有高的耐磨性是与它含有大量的 合金碳化物是分不开的。高速钢在退火状态下存在 着大量的碳化物，在淬火加热时有部分碳化物溶入 基体，仍存在着大量的未溶碳化物，那么这些未溶的 碳化物在刀具切削时对其寿命有何影响呢? 多年来，美国对高速钢中一次碳化物对刀具寿 命的影响进行大量深入的研究，对一次碳化物的类 型、尺寸及分布的定量研究及系统的磨损试验表明， 一次碳化物对提高高速钢耐磨性作用不大，刀具的 耐磨性不取决于一次碳化物的比率。由于一次碳化 物的尺寸较大，粒子间距大，它对耐磨性的作用只相 当于回火硬化峰值时的马氏体水平。然而一次碳化 物的不良分布和大块碳化物的存在，对刀具寿命则 有坏影响。 (2)二次碳化物对刀具寿命的影响 由于金相检测技术的飞跃发展，可以在显微镜 下直接观察到回火时析出的极为细小的二次碳化 物。研究证明，高速钢回火时析出的碳化物尺寸仅 为几微米，并且极为弥散。回火碳化物分为M：C和 MC两种类型。在提高回火温度或延长回火时间时， 回火碳化物开始聚集长大，于是析出硬化的作用逐 渐消失。 回火时析出的极其细小弥散的碳化物对刀具寿 命有决定性的作用。根据国外研究结论，对高速钢 刀具来说，各种因素对刀具寿命的作用可以用以下 公式来描述…： tL=1．8(fMc+缸c)+lo．4(fsc+磷)+6．5 iXiZiV2 式中t。为刀具寿命，fMc、氚。分别为一次碳化物MC、 M。c(％)，fsc为二次硬化时析出的碳化物(％)，鹱为 刀具切削时潜在硬化析出的能力，∑iXiZiV2为二次 硬化后基体中残留合金元素的作用。 比较上述公式中的各项系数和幂指数可以清楚 地了解到，二次硬化析出的碳化物对刀具寿命的贡 献远远大于一次碳化物和合金元素固溶体强化的作 用。前述的一次碳化物对刀具的寿命作用不大，而 二次硬化析出的碳化物对刀具的寿命有决定性作 用，这与前面的结论相符合。经lO种不含钴高速钢 切削试验结果证明，采用该公式计算的数据与切削 试验的结果相当符合。 基于上述理论，从提高刀具寿命的角度出发，淬 火加热时，在保证刀具强度和韧性的前提下，应尽量 使碳化物溶入基体，冷却时应尽量避免碳化物的析 出，以保证回火后得到最大限度的二次硬化效果，否 则将给刀具带来不利的影响。 用这个理论可以解释很多热处理现象，例如高 速钢退火时间过长有害无益，刀具寿命下降。可以 理解为长时间退火使碳化物聚集长大，在以后淬火 加热时不易溶人基体，基体合金度下降，回火时二次 硬化减弱，从而导致刀具寿命不高。如W18Cr4V钢 锻坯退火时间由20 h延长至50 h，刀具寿命下降 30％-40％。同炉号W9M03Cr4V钢棒料制作同规 格锥柄钻，就是因为加热时碳化物溶解不同，刀具寿 命相差近1倍。 M2钢刀具经真空气淬(非高压气淬)，红硬性比 盐浴淬火下降2～3 HRC。这是由于冷却速度缓慢 引起碳化物从基体中析出，使淬火回火后不能有充 分的二次硬化，因此红硬性必然下降。 同理可以推测，高速钢分级淬火为什么中性盐 浴的温度要严格控制，不能超过620℃，因为在高温 下停留会有大量的碳化物析出，影响二次硬化效果， 所以欧美各国通常采用550℃作为高速钢的分级淬 火温度，肯定比我国采用的580～620℃对提高刀具 寿命有利。 2碳化物不均匀度 研究碳化物不仅要了解碳化物的化学成分、晶 格、硬度、数量、还应掌握碳化物的尺寸、形状和碳化 物的分布情况。前已述及，由于高速钢的结晶及热 加工的特点，使一次和二次碳化物在钢中分布不均 匀，为定性地表达碳化物的这一特点，GB／T9943— 2008(高速工具钢》特制订了共晶碳化物不均匀度检 查标准。从滚刀等非标刀具失效分析统计获悉，大 部分坏刀具碳化物不均匀度>15级。碳化物不均匀 度严重，造成的影响主要表现为： (1)对热塑性的影响。碳化物不均匀会降低钢 的塑性，削弱基体的强度，以及由于造成应力集中， 降低钢的热塑性，在锻造和轧扭过程中易裂。 (2)对热处理的影响。碳化物集中处碳及合金元 素较高，所以过热敏感性较大，在碳化物集中处常出 现过热，并沿着碳化物带状处造成裂纹。由于偏析处 化学成分不均匀，混晶现象难免，碳化物堆积处残留 奥氏体含量增加，从而容易引起回火不充分现象。 万方数据·62· 热处理技术与装备 第32卷 (3)对力学性能的影响。碳化物不均匀度使钢 的强度及塑性下降，造成刀具在使用时容易产生崩 刃及磨损。表1为碳化物不均匀度对W18Cr4V钢 力学性能的影响。从表中看出，不均匀度5级与3 级比较，抗弯强度、冲击韧性、红硬性全面下降。 表1 碳化物不均匀度对W18CrtV钢力学性能的影响 Table 1 Influence of carbide irregularity to mechanical properties of W18Cr4V steel ※红硬性试验是在该温度下保温60 rain，4次，室温下平磨后测得的 硬度值。 3大块碳化物 高速钢中大块角状碳化物和大颗粒碳化物统称 大块碳化物。 大块碳化物的存在对钢的质量产生严重的危 害，对钢的使用性能及工艺性能都会带来不良的影 响，主要表现为以下4点。 (1)大块碳化物易剥落，使钢的低倍组织严重 变差，对碳化物分布的均匀性也有不利影响。 (2)粗大角状碳化物在外力作用下易产生应力 集中而解理开裂，致使材料存在着许多微裂纹缺陷， 从而危害钢的韧性和塑性。 (3)大块碳化物易造成刀具崩齿、掉刃，使工具 成为废品或降低其使用寿命，对于断续切削刀具或 多齿刀具，其危害性更加明显。 (4)大块碳化物占有和浪费了大量的贵重合金 元素W、Mo、Cr、V等，影响了钢的性能。一颗粗大碳 化物所占的合金元素量相当于许多颗细小碳化物， 且粗大碳化物有害，细小碳化物有益。当钢中的大 块碳化物较多时，细小碳化物则减少，使钢的性能下 降。因此在相同钢号、合金元素含量基本相同的情 况下。因碳化物尺寸、颗粒等不同而使钢的性能相差 甚远。粗大碳化物不仅使钢的韧性和塑性下降，而 且还会使刀具在淬、回火后硬度下降，有的甚至能下 降2～3 HRC。 4碳化物影响刀具寿命实例 

4．1大块碳化物造成铣刀崩刃 W18Cr4V钢制成型铣刀，由于钢中存有大块碳 化物，如图1所示。虽经反复锻造，仍不能使其破 碎，在热处理时容易过热，客户反映在使用中崩刃。

4．2大块碳化物致使丝锥晶粒粗大 某厂用由11．2 mln W9M03Cr4V钢制作M10规 格机用丝锥，1230℃淬火，炉前发现约30％金相级 别达8．5级，其余10．5～10级，客户反映在使用中 掉牙，反复抽查同炉号材料，原来钢中有大颗粒碳化 物

 4．3大颗粒碳化物微裂导致钻头轧裂 由于M2钢存在大颗粒碳化物，且有微裂，

4．4 宽带状碳化物致使拉刀淬火开裂 用W18Cr4V钢制+63 Inila×1380 mitt花键拉 刀，共3件，1280℃油淬560℃回火后发现全部产生 纵向裂纹。分析结果如下： (1)裂纹特征。裂纹面为回火色，裂纹的长度约 l m，从拉刀根部一直裂到拉刀柄部未淬火处。裂纹 深度约32 ram(从表面裂到中心)。将拉刀沿裂纹敲 开，观察裂纹断面，可明显地看到靠近拉刀中心附近 的裂纹呈小凸形，从横面看是小弧形，也就是碳化物 严重堆积处。 (2)宏观裂纹。裂纹断面有回火发黑颜色，在断 口和裂纹面未发现其他缺陷。 (3)金相组织。正常部位为马氏体+碳化物+ 少量的残留奥氏体；在裂纹面的小弧处为粗大针状 马氏体+大块碳化物(部分呈半网或网)+较多的残 留奥氏体。 (4)碳化物分布情况及颗粒度。此规格的拉刀 一般正常部位的碳化物不均匀度在5级左右。在裂 纹处的小弧区(过热区)碳化物堆积严重，偏析达8 级，碳化物带最宽处在0．46～1．53 mill，试样磨制腐 蚀后，碳化物带显现清楚，粗略观察这个带，最宽处 约4—6 mm，碳化物带长约10 mln以上。在这个碳 化物偏析区内，大块角状碳化物较多，最大的碳化物 长约0．09 rain宽约0．042 ll'l／n。裂纹是沿碳化物带 堆积严重的过热区产生的。 以上分析说明，花键拉刀原材料不良，使碳化物 堆积区局部过热，而引起开裂。类似这种情况的还 有其他类型的大规格的拉刀。 4．5 碳化物裂缝致使铣刀断裂 某厂用68 mm W6M05Cr4V2A1(M2A1)钢制的 巾3 mm(粗柄)4刃螺纹柄全磨立铣刀，经1195℃淬 火，560 oC回火，硬度65．5—66 HRC，金相硬度均较 理想，但在磨柄发现刃部断裂，复验断裂处金相，发 现碳化物有开裂现象，如图4所示。而其他淬硬部 位未有碳化物拉裂现象。 国内还有碳化物剥落导致滚刀内孔开裂、碳化 物粘连使丝锥过热旧。等碳化物惹祸的实例。 图4 M2AI钢立铣刀碳化物开裂 Fig．4 Carbide crocking in M2A1 steel end mill 5提高刀具寿命措施 碳化物是高速钢中最重要的相，对高速钢的性 能起到了举足轻重的作用，其数量、形状、尺寸、形态 和分布等状况对钢的质量和性能影响很大。由于碳 化物本身较脆，当碳化物颗粒尺寸较大、形状是不规 则的角状和分布不均匀时，会对钢的性能产生危害。 为了提高刀具的寿命，工具厂在碳化物转变和转化 方面做了大量的工作，成效显著。 (1)锻造。为了提高复杂刀具的寿命，采用锻造 是一种非常有效的经济实用方法。通过压力加工， 能改善碳化物的分布情况，破碎大块碳化物，使碳化 物分布均匀，对防止热处理时产生局部过热和开裂 起到了显著效果。有的厂多年来生产的滚刀、剃齿 刀、插齿刀、螺伞刀都是经过改锻使碳化物的偏析降 低至1～2级，在热处理时未发生过热和开裂报废。 (2)适当调整淬火加热温度。根据工件的形状 大小及碳化物偏析的程度，结合刀具的使用特点，适 当调整热处理淬火加热温度很有必要，牺牲一点红 硬性，增加一点韧性。一般大型复杂刀具及中心不 万方数据热处理技术与装备 第32卷 带孔的实心刀具，最好降低加热温度，如W18Cr4V 钢用1250—1265℃，M2钢用1190—1205℃，M42 钢用1160～1165℃等。 (3)分级等温淬火。根据工件的大小和形状复 杂程度，采用适当的冷却方法，使刀具各部位的组织 趋于均匀，减少组织应力，可采用预冷、多次分级、等 温淬火，可减少和弥补碳化物不良带来的危害。 (4)二次贝氏体等温淬火。此工艺比较适用于 形状极其复杂的特大型刀具(m>15的滚刀、有效厚 度>100 Into的有孔刀具)。高速钢刀具正常淬火或 等温淬火后，组织中有大量的残留奥氏体。回火时 马氏体相变应力得到松弛，碳化物从残留奥氏体中 析出，使后者的Ms点升高，并重新获得了转变的能 力，在回火后的冷却过程中转变为马氏体，这一变化 过程也必将伴随着相变应力。对于形状复杂、淬火 开裂倾向大的刀具，回火时的相变应力有可能开裂 而报废。奥氏体转变成贝氏体的应力要小于转变成 马氏体的应力。因此，对于形状复杂的大滚刀之类 的昂贵刀具，一般都采用二次贝氏体等温淬火处理， 即对淬火后刀具，于第一次550℃回火出炉后，不经 空冷而直接进入260—280℃硝盐中等温2 h，使残 留奥氏体转变成贝氏体(Hp-"次贝氏体)，然后再进 行550℃三次回火。 高速钢中碳化物对钢厂和工具厂都很重要，钢 厂应严格钢材生产过程控制，把好质量关，为工具厂 提供合格之材；工具厂应使用现有改变碳化物级别 及形态的各种手段，使碳化物向着好的方向发展。 在用足韧性的前提下，尽量提高淬火加热温度，发挥 二次碳化物耐磨耐热的特点，努力提高高速钢刀具 的寿命。 参 考文 献 [1]李惠友．国内外刀具热处理近况(四)[J]．工具技术， 1996．7：28—29． [2] 赵建敏等．碳化物粘连对M2高速钢大规格丝锥开裂 的影响[J]．工具技术，2009，12：2—64． (上接第59页) (4)从断口上观察，断裂属韧性断裂；从图4观 察，断口位于中频淬火区最未端，断口处的键齿硬度 也比设计要求的低，造成传动轴抗扭强度降低。 (5)从传动轴的基体组织上看，是索氏体和网 状、块状的铁素体和索氏体和网状分布的铁素体，这 说明传动轴在热处理时，淬火温度低或淬火保温时 间不足，造成块状和网状铁素体的存在，在淬火保温 阶段铁素体未完全溶人到奥氏体中，使传动轴在淬 火冷却过程中保持到室温状态，铁素体的存在造成 了传动轴强度的降低；另外，40Ct的淬火温度为835 ～865℃，而42CrMo的淬火温度为835—865℃，淬 火温度相近，材料错误对淬火温度的影响不大。 (6)从传动轴上观察，在最后一道工序中频淬火 时，传动轴中问部位大部分区域淬硬层为3～5 mill 的范围内符合设计要求，而在中间部位的硬度也符 合设计要求，而断口部位正处于中频淬火的未端，在 此处其组织为马氏体和索氏体，从图l和图4观察， 下半部分键齿未进行感应淬火，断口处于感应淬火 区与未感应淬火区结合部，原因是感应淬火操作时 淬火行程未到此处，此处硬度为35。5 HRC，达不到 设计要求的48～58 HRC，使断口部位的强度降低， 中频淬火区域不符合设计要求。 (7)传动轴外表面受切向应力最大，而断口部位 正处于感应淬火的软区，在此部位硬度和强度降低 的同时，传动轴在此部位所受的实际应力超过了传 动轴的实际强度，在传动轴外表面形成断裂源。 3结论与建议 (1)材料不符合设计要求，造成传动轴的强度降 低，是造成传动轴断裂的原因之一；(2)传动轴基体 组织未淬透，存在铁素体，造成传动轴的强度降低和 传动轴表面感应淬火区间短，不满足设计要求是造 成断裂的根本原因；(3)建议严格控制原材料的验收 程序；在传动轴热处理过程中，严格控制传动轴的淬 火保温时间或淬火温度；(4)在传动轴感应淬火时， 增大感应淬火区域；(5)在设计传动轴时，适当增加 传动轴的强度。 参 考 文 献 [1]合金钢编写组编．合金钢[M]．北京：机械工业出版社， 1978：57—58． [2]《热处理手册》编委会．热处理手册[M]．北京：机械工 业出版社，1992，1：213—225．

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