W 18Cr4V钢热处理工艺研究
摘 要 通过对W 18Cr4V钢的性能特点进行了分析、对W 18Cr4V钢的锻造工艺以及对W 18Cr4V钢进行退火、淬火及回火等热处理研究，得到了在实际生产中, W 18Cr4V钢采用正确的锻造及热处理工艺处理后, 用它生产的刃具及冷作模具综合力学性能好, 使用 寿命长.
关键词 W 18Cr4V钢；锻造；热处理 ; 退火；淬火；回火
一、对W 18Cr4V钢的介绍
高速钢W 18Cr4V是一种高合金工具钢,钢中含有钨、钼、铬、钒等合金元素, 其总量超过 10%.特点是红硬性和耐磨性高,淬透性好,并且具有一定的韧性, 因而在实际生产中常用来制造刃具和冷作模具. 我们在产品使用中发现,决定其使用寿命的主要因素是锻造和热处理工艺的合理制定.
1、 W 18Cr4V钢的性能特点
W18Cr4V钢的化学成分见表 1。在钢中, 碳的质量分数为0. 70% ~ 0. 80%, 它一方面要保证能与钨、铬、钒形成足够数量的合金碳化物,又要有一定的碳量溶于奥氏体中,使淬火后获得碳含量过饱和的马氏体, 以保证高硬度和高耐磨性, 以及良好的热硬性。
钨是使高速钢具有热硬性的主要元素, W18Cr4V 钢在退火状态下钨与钢中的碳形成合金碳化物Fe4W2C, 淬火加热时, 一部分Fe4W2 C溶入奥氏体,淬火后形成含有大量钨及其他合金元素, 有很高回火稳定性的马氏体。在 560℃ 回火时钨又以W2 C形式弥散析出,造成二次硬化现象, 使钢具有高的热硬性,未溶的合金碳化物起阻碍奥氏体晶粒长大及提高耐磨性作用.。
铬对高速钢性能的主要影响是增加钢的淬透性并改善耐磨性和提高硬度。
钒与碳的结合力比钨或钼大,碳化物很稳定,淬火加热时高温下才可溶解, 能显著阻碍奥氏体晶粒长大。 并且碳化钒的硬度高,颗粒细小、均匀,对提高钢的硬度、耐磨性和韧性有很大影响, 回火时钒也引起二次硬化现象.。
2 组织结构特点
W18Cr4V钢的铸态组织中有大量的莱氏体, 莱氏体中有粗大、不均匀分布的鱼骨状碳化物, 这些碳化物的存在导致高速钢在使用中容易崩刃和磨损。 而这些粗大的碳化物不能用热处理的方法消除, 只能用锻造的方法将其击碎,并使它均匀分布,再用来制造各种刃具和模具.。
W18Cr4V钢(锻后退火、淬火及回火处理)的金相图
工艺情况：锻后退火、淬火及回火处理
浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：黑色回火马氏体和呈带状聚集分布的碳化物颗粒。高速钢由于碳和合金元素含量较高，所以形成大量的碳化物。严重的碳化物不均匀性，易造成锻造或热处理过程中的过热或开裂，还会造成刀具在使用过程中的崩刃现象。
3、化学成分
●W18Cr4V高速钢化學成份：
碳 C ：0.70～0.80(偏差:±0.01)
矽 Si：0.20～0.40(偏差:±0.05)
锰 Mn：0.10～0.40(偏差: 0.04)
硫 S ：≤0.030
磷 P ：≤0.030
铬 Cr：3.80～4.40(偏差:±0.05)
镍 Ni：残余含量≤0.30
铜 Cu：残余含量≤0.25
钒 V ：1.00～1.40(偏差:±0.05)
钼 Mo：≤0.30(偏差:尺寸≤6,±0.05;尺寸＞6,±0.10)
钨 W ：17.50～19.00(偏差:尺寸≤10,±0.10;＞10,±0.20)
4、W18Cr4V高速钢特性及适用范围
是使用最广泛的钨系通用型高速钢，硬度、红硬性及高温硬度较高，易于磨削加工。适用作工作温度在 600℃以下仍能保持切削性能的刀具，如車、刨、铣、铰、拉刀、钻頭、各种齿轮刀具及丝锥等，适于加工软的或中等硬度 (300～320HB以下) 的材料。及制作高温耐磨机械零。
二、 W 18Cr4V钢的锻造工艺
2. 1 锻造温度及加热速度
W18Cr4V钢的始锻温度为1140℃ ~ 1180℃ ,终锻温度在 900℃ 左右。终锻温度太低会引起锻件开裂,太高会造成晶粒不正常长大, 出现萘状断口。
W18Cr4V属于高合金钢,导热性差,应分段加热, 低温时加热速度慢一些, 高温时则快速加热, 同时要控制好装炉量,并适当地翻转,使工件受热内外温度均匀。
2. 2 锻造过程
W 18Cr4V钢的铸态组织中有大量粗大、不均匀分布的碳化物, 必须经过反复镦粗和拔长, 经验表明,锻造比达到10左右时, 碳化物分布得比较均匀。
当坯料加热到要求的温度时, 即开始锻造。锻造过程中应严格执行“两轻一重”的锻造方法, 在高温段 1140℃ ~ 1180℃ 时要轻击, 以防止开裂; 当锻造温度在 1000℃~ 1050℃ 时要重击, 以保证能打碎碳化物; 当坯料温度低于1000℃ 时要轻击, 以防内裂纹出现; 当坯料温度降至900℃ 左右时停锻。
为避免锻造时出现裂纹,镦粗阶段捶击不宜太重,必要时可先将端部“铆锻”后再镦粗,镦粗后立即拔长。拔长时送进量要控制在锻件高度的0. 6~ 0. 8倍,送进量过小锻不透, 过大则会产生“十字”裂纹。 镦粗时要避免单面变形或发生歪斜, 拔长时翻转毛坯要均匀, 拔圆时要先倒角, 不要在同一地方多次捶击。
锻造时加热次数由镦拔次数、设备能量以及操作工人的熟练程度等来确定. 但火次不宜太多, 以免产生开裂。
三、W 18Cr4V钢的热处理
W18Cr4V钢为W系高速钢，是在T8A钢的基础上主要加入W、Cr、V元素形成的。
1、 W18Cr4V钢的特性
⑴、由于W18Cr4V钢中加入大量W、Cr、V元素，使Fe-C相图中的ES线上升并左移，所以钢中出现大量的共晶莱氏体碳化物，其组织形态有 布直接影响钢的性能及使用。故W18Cr4V钢需经反复锻造加工，使其组织中出现的铸态鱼骨状共晶碳化物碎裂成细小的碳化物颗粒，并呈弥散分布，才能使用。
⑵、W18Cr4V钢中加入Cr元素，主要是提高钢的淬透性，固溶于基体强化基体组织，并改善钢的回火稳定性；同时形成Cr的碳化物作为钢中的强化相。
⑶、W18Cr4V钢中加入W、V元素主要是形成碳化物，作为钢中的强化相，提高钢的强度、硬度与耐磨性；同时细化晶粒，改善钢的韧性。尤其是V元素细化晶粒作用较强。
⑷、W18Cr4V钢在奥氏体化时，W、V元素可随时其碳化物少量地固溶于奥氏体中，进一步提高钢的淬透性，同时冷却后存在于基体组织中，强化基体组织和提高钢的回火稳定性。
⑸、W18Cr4V钢中加入大量的C、W、Cr、V元素，会使MS线（马氏体相变开始点）下移，淬火后组织中存在大量的残余奥氏体，在经回火冷却时会转变成马氏体，即出现二次淬火现象。而淬火组织中的马氏体因溶有大量的W、Cr、V元素，使其保持相当稳定。在270℃回火时才有碳化物ε相析出，至400℃，碳化物ε转变为Fe3C相并进行聚集，
此时马氏体硬度下降。回火温度升至400℃以上，开始生成特殊碳化物，400℃至500℃，主要析出铬的碳化物。500℃至600℃，部分Fe3C重新溶解而自回火马氏体中开始析出弥散度很高的碳化物W2C和VC，使硬度回升，即出现二次硬化现象。由于回火马氏体中溶有大量的W、Cr、V元素，使回火马氏体保持较高的硬度，而析出的碳化物聚集的速度较缓慢，因而会产生显著的红硬性。
⑹、W18Cr4V钢中加入W元素可以消除钢的回火脆性。
⑺、W18Cr4V钢中存有少量的Si、Mn、Mo元素，除提高淬透性外，主要也固溶于基体组织中，起到强化基体组织和改善钢的回火稳定性的作用。
2、 W18Cr4V钢的热处理工艺
W18Cr4V钢相变点为： AC1820℃、Accm1330℃、Ar760℃、Ms210℃。W18Cr4V钢的始锻温度1120~1140℃，终锻温度950℃，锻造后堆集冷却或砂中冷却。
3. 1 退火
锻件锻后应立即放入白灰箱或干砂箱中严埋缓冷, 冷却后应立即进行退火, 退火的目的是为了消除锻造应力, 降低硬度以利于切削加工, 同时也为随后的淬火作组织准备。 W18Cr4V钢常采用等温退火工艺,其工艺路线见图1。
3. 2 淬火
W18Cr4V属于高合金工具钢,导热性差,淬火加热时通常要在 800℃ ~ 850℃ 进行预热, 对于大截面、形状比较复杂的零件, 需进行两次预热。
W18Cr4V钢的淬火加热温度很高, 一般为1270℃ ~ 1280℃ , 在这个温度范围,溶于奥氏体中的合金元素量才会多,淬火后马氏体中的合金元素量相应也高,高速钢的热硬性才会好。 淬火冷却一般采用分级淬火或油冷淬火。
3. 3 回火
W18Cr4V钢淬火后残余奥氏体量较多可达30%,为了减少残余奥氏体量, 消除应力, 稳定组织, 提高力学性能,淬火后要在560℃ 进行回火,高速钢回火时会产生“二次硬化”现象,使硬度得到提高。由于高速钢淬火后残余奥氏体量高达 30%, 经一次回火是不能完全消除的, 因此要在 560℃进行三次回火。回火后的组织由回火马氏体、少量残余奥氏体、块状合金碳化物组成,硬度达到65HRC以上。淬火及回火工艺路线见图2。
四、结论
通过对高速钢W 18Cr4V性能特点的分析, 提出其锻造及热处理工艺的合理制定, 在实际生产中, W 18Cr4V钢采用正确的锻造及热处理工艺处理后, 用它生产的刃具及冷作模具综合力学性能好, 使用 寿命长。
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