影响高速钢韧性的因素_许达
第18卷第11期2006年11月
钢铁研究学报
Vol.18,No.11November2006
JournalofIronandSteelResearch
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)
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-Mo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:TG14214 文献标识码:A 文章编号:1001-0963(2006)11-0001-06
FactorsAffectingToughnessofHighSpeedSteels
XUDa, YUFeng, LUODi
(InstituteforStructuralMaterials,CentralIronandSteelResearchInstitute,Beijing100081,China)Abstract:Toughnessisveryimportantforhighspeedsteel(HSS)whichaffectsstronglythepropertiesandlifeofcuttingtools.FactorsaffectingtoughnessofHSShavebeenstudied.TheresultshowedthatthetoughnessofHSSisinfluencedbychemicalcompositions,steelmakingmethods,inclusions,carbidesandheattreatment.Thetough-nessincreasesundertheconditionofbetterpurityandfewerinclusionsanddecreaseswithincreasingCcontentforthesamegradeofsteels.W-MotypesteelsarebetterthanWtypeintoughness.Distribution,grainsizeandshapeofcarbidesarealsoimportantfactors.ThetoughnessofpowdermetallurgyHSSisremarkablybetterthanconven-tionalHSS.Heattreatmentisalsoanotherimportantfactor,andthetoughnesswilldecreaseforhigherhardeningtemperatureandlowertemperingtemperature.Possiblewaysofimprovingthetoughnessarealsodiscussed.Keywords:highspeedsteel;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
111 杂质元素
钢中杂质元素磷、氧以及白色低熔点元素砷、
作者简介:许 达(1962-),男,大专,工程师; E-mail:[email protected]; 修订日期:2006-05-17
锑、锡、铅和锌等含量高时,会明显导致高速钢的韧性下降。11111 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0103%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0101%以下,可进一步提高钢的使用性能。11112 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。11113 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01045%以下。112 合金元素11211 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017%~018%和019%~110%,虽然相差仅约012%,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CW18Cr4V钢的韧性差,在断续切削时刀具很容易崩刃损坏。11212 钼
一般情况下,对于相同类型的高速钢,W-Mo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,W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V和W7Mo4Cr4V均为W-Mo系高速钢。可见,无论是抗
1)W6Mo5Cr4V2; 2)W18Cr4V
图2 碳含量对高速钢的抗弯强度和冲击韧性的影响
图1 磷对W18Cr4V钢抗弯强度的影响
Fig11 Effectofphosphoruscontentinsteelon
bendingstrengthofsteelW18Cr4V
Fig12 Effectofcarboncontentinsteelonbending
strengthandimpacttoughnessofsteels
表1 W18Cr4V和高CW18Cr4V钢的抗弯强度和冲击韧性
Table1 BendingStrengthandimpacttoughnessofsteelsW18Cr4VandCW18Cr4V
钢号W18Cr4VCW18Cr4V
淬火温度/e
12801280
回火温度/e
560560
硬度(HRC)
6668
抗弯强度/MPa
28002200
无缺口冲击韧性/(J#cm-2)
2815
表2 通用型高速钢的抗弯强度和冲击韧性Table2 Bendingstrengthandimpacttoughnessofsteels
钢号W18Cr4VW6Mo5Cr4V2W9Mo3Cr4VW7Mo4Cr4V
淬火温度/e
[**************]0
回火温度/e
[1**********]0
硬度(HRC)
[1**********]619
抗弯强度/MPa
[**************]0
无缺口冲击韧性/(J#cm-2)
28363237
弯强度还是冲击韧性,W18Cr4V都低于其余3种W-Mo系高速钢。
11213 钴
含钴钢均属于特种高速钢。钢中加入钴,淬火和回火后钢的硬度、红硬性和高温硬度等均得到显著提高,因此提高了钢的使用性能,但韧性下降,而且随着钴含量的增加,钢的韧性下降显著。如W6Mo5Cr4V2Co5钢的冲击韧性比W6Mo5Cr4V2钢低3~5J/cm2,而W6Mo5Cr4V2Co8钢则低得更多。
11214 铝
在高碳高速钢中加入不超过1%的铝后,钢的韧性不会下降,还有可能略微增加。例如在碳的质量分数接近1%的CW9Mo3Cr4V钢中加入约1%(质量分数)的铝后,钢在1220e淬火和560e回火后的抗弯强度大约提高了500MPa,达到了3800MPa。但是应注意,钢中加入铝后,Al2O3夹杂物增多,这对钢的韧性不利。如果能设法去除Al2O3夹杂物,可提高钢的韧性。因此,铝对高速钢韧性的影响值得继续深入研究。
11215 稀土、镁和铌
在高速钢中加入少量的稀土和镁、铌等元素,可
能对钢的韧性有所改善。因此,这些元素的作用值得继续研究。
2 冶炼方法
采用不同的冶炼方法时,钢的纯净度不同,钢中夹杂物状态的差异也很大。因此,对钢的韧性会产生很大的影响。
对比了3种冶炼方法:①电弧炉;②感应炉+电渣重熔;③电弧炉+LF炉和VD精炼+电渣重熔。实验钢为W6Mo5Cr4V2,其化学成分(质量分数)见表3。钢中气体和低熔点金属的含量(质量分数)见表4。夹杂物检验结果列于表5。冲击韧性见表6。 从表3~6可以看出,冶炼方法对钢的纯净度影响很大。相比之下,未加精炼的电弧炉钢中的气体含量最高,夹杂物最多;而电弧炉加精炼再经电渣重熔的钢最纯净,夹杂物最少。在未加精炼的电弧炉钢中,B类和D类夹杂物都是2级,这与钢中的氧含量高有直接关系;而电弧炉加精炼再经电渣重熔钢中,B类夹杂物为110级,D类夹杂物仅为015级,而且钢中氧含量最低,仅010015%。由于钢的纯净度对钢的韧性会产生直接影响,所以电弧炉加精炼再经电渣重熔钢的冲击韧性最高,而电弧炉钢的冲击韧
表3 3种冶炼方法下W6Mo5Cr4V2钢的化学成分
Table3 ChemicalcompositionofsteelW6Mo5Cr4V2forthreesteelmakingmethods %
冶炼方法电弧炉
感应炉+电渣重熔
电弧炉+LF+VD+电渣重熔
C[1**********]6
Si[**************]
Mn[1**********]3
P[**************]
S[**************]
Cr[1**********]1
V[1**********]9
W[1**********]1
Mo[1**********]0
表4 3种冶炼方法下W6Mo5Cr4V2钢中气体和低熔点金属的含量
Table4 Contentsofgasandlow-meltingelementinW6Mo5Cr4V2forthreesteelmakingmethods %
气体
冶炼方法
氧
氮[***********]
氢[***********]000008
砷[***********]
锑[**************]
锡[**************]
铅[**************]
总量[**************]
低熔点金属
电弧炉
感应炉+电渣重熔
电弧炉+LF+VD+电渣重熔
[***********]
表5 3种冶炼方法下W6Mo5Cr4V2钢中的夹杂物Table5 InclusionsinW6Mo5Cr4V2forthreemeltingmethods
冶炼方法
粗系
电弧炉
感应炉+电渣重熔
电弧炉+LF+VD+电渣重熔
210110015
A类
细系210
110015
粗系215
115110
B类
细系215115110
粗系0
00C类
细系000
粗系210115015
D类
细系210
110015
表6 3种冶炼方法下W6Mo5Cr4V2钢的冲击韧性Table6 ImpacttoughnessofW6Mo5Cr4V2for
threemeltingmethods
冶炼方法电弧炉
感应炉+电渣重熔
电弧炉+LF+VD+电渣重熔
淬火温度/硬度
e(HRC)[1**********]0
[1**********]5
冲击韧性/
(J#cm-2)
273134
表7 粉末高速钢CPMRexT15和常规方法生产
的T15钢的抗弯强度
Table7 BendingstrengthofCPMRexT15and
conventionalT15steels
钢种CPMRexT15和常规T15
淬火温度/e
12301230
硬度(HRC)
6766
抗弯强度/MPa
46742150
性最低。
从表4中还可以看出,虽然冶炼方法对钢中气体的含量能产生很大影响,但对低熔点金属含量的影响不大,为避免这些杂质元素的不良影响,必须重视对原材料的选择。
W12Cr4V5Co5,碳的质量分数约为115%。从表7可见,粉末高速钢CPMRexT15的抗弯强度高达4674MPa,比常规方法生产的T15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。
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3Lm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4000MPa以上。表7列出了粉末高速钢CPMRexT15和常规方法生产的T15钢的抗弯强度[2]。T15钢的化学成分为
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。411 淬火处理41111 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W18Cr4V钢,该温度约为1220e;对于W6Mo5Cr4V2钢,该温度约为1180e;对于W2Mo9Cr4VCo8钢,该温度为1180~1190e。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W6Mo5Cr4V2钢抗弯强度的影响。图4示出了淬火和回火温度对W2Mo9Cr4VCo8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。41112 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
表8 不同淬火温度下3种通用型高速钢的冲击韧性Table8 Impacttoughnessofsteelsathardening
temperature J/cm
淬火温度/e
钢号
1190
W6Mo5Cr4V2W9Mo3Cr4VW7Mo4Cr4V
414045
1210393841
1230303237
1250292930
2
图4 淬火和回火温度对W2Mo9Cr4VCo8钢冲击韧性的影响Fig14 Effectofquenchingtemperatureandtempering
temperatureonimpacttoughnessofsteelW2Mo9Cr4VCo8
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。
41113 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。412 回火处理41211 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,W6Mo5Cr4V2钢经1220e淬火后,在560e回火后的抗弯强度比540e回火提高约1000MPa。从图4可以看出,W2Mo9Cr4VCo8钢在560e回火后的冲击韧性明显高于530e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。
41212 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。
注:回火温度为550e
。
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Al2O3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
图3 淬火和回火温度对W6Mo5Cr4V2钢抗弯强度的影响Fig13 Effectofquenchingtemperatureandtemperingtemper-atureonbendingstrengthofsteel
W6Mo5Cr4V2
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
图5 碳化物微裂纹Fig15 Carbidemicrocracks
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-Mo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。
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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M6C、形状不规则的大
尺寸M2C、MC及复合碳化物M6C+MC和M6C+MC+M2C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,