材料成型设计与控制论文《高速钢的加工工艺》.docx

高速钢的加工工艺1 引言金属切削加工在当代机器制造业中，占有极其重要的地位，而切削刀具又是切削加工的关键之一。多少年来，人们为了提高切削速度，除了改革机床和刀具设计外，刀具材料一直是一个核心问题。从上个世纪的碳素工具钢，到现在的合金工具钢、高速工具钢、铸造合金、碳化物硬质合金、金属陶瓷、金刚石等，高速钢历经百年的发展，至今仍在刀具材料中占有重要位置，从20世纪60年代起，尽管在高速钢之后又发展了一系列超硬新型刀具材料，如硬质合金材料，但是对于制造形状复杂、磨削困难的刀具,如：拉刀、剃齿刀、插齿刀等。高速钢始终处于主导地位，特别是要求刀具具备高韧性时，只有高速钢才能满足要求。高速钢以其胜任高速切削而著称，其所以经百年使用而不衰，主要是由于其具有硬质合金等超硬工具材料所不能比拟的强韧性及优良的可加工性。同时，高速钢比超硬材料成本低廉；碳素工具钢、低合金钢、铬模具钢具有更优良的热硬性及耐磨性能。因此被广泛用于制造高速切削刀具，如钻头、车刀、铣刀等，此外约有15%的高速钢被用于制作冷挤压模具及冷墩压模具。而热处理是工模具制造过程中的重要工艺之一，它可以保证和提高工模具的各种性能，如耐磨性、硬度等；还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷加工。与其他加工工艺相比，它一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性。齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，而工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。高速钢作为刀具使用，在50-80m/s的高速切削加工时，当切割温度高达600℃左右时，仍具有高于HRC60的高硬度，且无明显的硬度下降(如高速钢经1280℃淬火后，热硬性可达620℃、W6Mo5Cr4V2高速钢经1240℃淬火后，热硬性可达625℃)，同时还具有很高的硬度、耐磨性和一定的冲击韧性。而碳素工具钢、低合金工具钢在200℃以下可以保持其工作性能，当工具受热超过200-250℃时，硬度就显著下降，失去切削效能力。2 高速钢的铸态组织和锻造工艺2.1高速钢的铸态组织高速钢的铸态组织对机械热加工、热处理及其使用性能有着及其重要的影响。不同的高速钢虽然在成分上有较大的差异，但主要的合金元素如：钨、钒、铬等。下面以为例进行说明。的铸态组织大致由三部分组成，如图2-1所示，初生晶粒的四周为黑色组织，中心则为白色组织，中间呈网状分布的是具有骨骼状的莱氏体组织。图2-1高速钢的铸态组织Fig. 2-1 The cast structure of high speed steel图2-2高速钢的铸态组织Fig. 2-2The cast structure of high speed steel图2-3 Fe-W-Cr-C四元相图Fig. 2-3 quarternary phase diagram of Fe-W-Cr-C如图2-3所示，可以利用Fe-W-Cr-C四元相图的变温截面分析钢的结晶过程，可以明确铸态组织的形成过程及特点。图2-3中未考虑V的影响，因为V和W、Cr一样，都是碳化物形成元素，当某一元素含量不大时，不会对组织结构有重大的影响，因此为了分析方便，可以忽略不计。根据的成分含量可知，虚线I为其结晶过程线，通过分析虚线I可知，首先从液相中析出含碳和合金都很少的α固溶体，即高温铁素体；当温度继续下降直至下降到包晶反应临界温度一下时开始发生包晶反应，析出寒碳和合金元素较高的γ固溶体（奥氏体）；继续冷却到1345~1310℃时，发生共晶反应（L→γ+C），即生成主要含钨的复合碳化物和γ固溶体混合组成的骨骼状共晶莱氏体；再继续冷却，γ固溶体析出二次碳化物；当温度继续降低至870~800℃时，铁素体开始析出；当冷却至800~785℃时，γ固溶体共析分解为珠光体。在实际生产中，由于冷却速度较快，高速钢不会得到相图中所表示的平衡组织：珠光体（P）+转变了的莱氏体+碳化物。在结晶过程中，由于包晶转变不完全而保留下来的δ相会析出细小的碳化物，使其显微组织呈黑色，得到所谓的黑色组织，又称索氏体—屈氏体混合组织。而γ相在较快的冷却速度下，并未进行共析分解，而是转变成马氏体，未转变部分则称为残余奥氏体，这种组织在显微观察时呈白色，即所谓的白色组织。所以的铸态组织由黑色组织+白色组织+骨骼状的莱氏体组织组成。2.2 高速钢的锻造工艺通过分析结晶过程和对实际情况进行观察记录，可以发现，高速钢化学成分和铸态组织都是极不均匀的，并且会产生骨骼状莱氏体，这种组织硬而脆，且分布连续，因而性能不好。为了改善高速钢的铸态组织，需要对其进行锻打，以将粗大共