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白鋼刀基本知識(shí)
白鋼是中國(guó)對(duì)高速鋼的一個(gè)俗稱，也叫鋒鋼。
目前白鋼車刀的主要用料為：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V1、W4Mo3Cr4V1、W4Mo2Cr4V1，其中W6 Ｗ18綜合性能好，韌性和耐磨性都比較好，順序也是逐降。后面及個(gè)牌號(hào)都是為了降低成本而開(kāi)發(fā)的。
(一)高速鋼的化學(xué)成分、鑄態(tài)組織和碳化物類型
在高速切削過(guò)程中，刀具的刃部溫度可達(dá)600℃以上，低合金鋼刃具已不能滿足這種要求。因此，就必須選用高速鋼（這是一種合金元素含量很高的刃具鋼），它在600℃時(shí)，仍能使硬度保持HRC60以上，從而保證其切削性能和耐磨性。高速鋼刀具的切削速度可比碳素工具鋼和合金工具鋼刀具增加1～3倍，而耐用性增加7～14倍，因此，高速鋼在機(jī)械制造工業(yè)中被廣泛地采用。
我國(guó)常見(jiàn)的高速鋼為鎢系（W18Cr4V）和鎢鉬系（W6Mo5Cr4V2）。它們的成分見(jiàn)下表。
表8-2-3 鎢系和鎢鉬系高速鋼的成分
鋼號(hào) 化學(xué)成分（%）
C Si Mn Cr Mo W V
W18Cr4V 0.7
0.9 ≤0.4 ≤0.4 3.8
4.4 ≤0.3 17.5
19 1.0
1.4
W6Mo5Cr4V2 0.8
0.9 ≤0.4 ≤0.4 3.8
4.4 4.5
5.5 5.5
6.7 1.75
2.2
(二)高速鋼的鍛造和熱處理
1、鍛造
高速鋼的鑄態(tài)組織很不均勻。大量不均勻分布的粗大碳化物，將造成強(qiáng)度及韌性的下降。這種缺陷不能用熱處理工藝來(lái)矯正，必須借助于反復(fù)壓力熱加工(鍛、軋)，將粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使其均勻分布在基體內(nèi)。
鎢系高速鋼的始鍛溫度為1140～1180℃，終鍛溫度為900℃左右。
鎢鉬系高速鋼的始鍛溫度要低一些。
終鍛溫度太低會(huì)引起鍛件開(kāi)裂，而終鍛溫度太高(大于1000℃)會(huì)造成晶粒不正常長(zhǎng)大，出現(xiàn)萘狀斷口。由于高速鋼在空氣中冷卻即可進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，所以鍛造或軋制以后，鋼坯應(yīng)緩慢冷卻，以防止產(chǎn)生過(guò)高的應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂
2、退火
高速鋼鍛造以后，必須進(jìn)行球化退火，其目的不僅在于降低鋼的硬度，以利切削加工，而且也為以后的淬火作組織上的準(zhǔn)備。18-4-1鋼退火溫度為860℃～880℃，即略超過(guò)A1溫度。在該溫度保溫2～3h。這樣，奧氏體內(nèi)溶入的合金元素不多，奧氏體穩(wěn)定性較小，易于轉(zhuǎn)變?yōu)檩^軟的組織。圖8-2-7的組織為索氏體加碳化物。
圖8-2-7 高速鋼球化退火組織（索氏體加碳化物）
3、淬火
高速鋼的優(yōu)越性只有在正確的淬火及回火之后才能發(fā)揮出來(lái)。其淬火溫度較一般合金工具鋼要高得多。
因?yàn)闇囟仍礁�，合金元素溶入奧氏體的數(shù)量越多，淬火之后馬氏體的合金濃度越高。只有合金含量高的馬氏體才具有高的紅硬性。圖8-2-8顯示出了淬火溫度對(duì)奧氏體(或馬氏體)內(nèi)合金元素含量的影響。
圖8-2-8 淬火溫度與奧氏體內(nèi)合金元素的含量
高速鋼淬火加熱溫度越高，奧氏體內(nèi)的合金溶解度也越高，其中鎢元素需要很高的加熱溫度才能溶解。
由圖可知，對(duì)高速鋼紅硬性作用大的合金元素—W、Mo及V只有在1000℃以上時(shí)，其溶解量才急劇增加。溫度超過(guò)1300℃時(shí)，各元素的溶解量雖還有增加，但奧氏體晶粒則急劇長(zhǎng)大，甚至在晶界處發(fā)生溶化現(xiàn)象。因而，淬火鋼的韌性大大下降。所以，在不發(fā)生過(guò)熱的前提下，高速鋼的淬火溫度越高，其紅硬性則越好。
由于高速鋼的導(dǎo)熱性差，而淬火溫度又極高，故常常分兩段或三段進(jìn)行加熱。淬火通常在油中進(jìn)行，或采用分級(jí)淬火法。鋼的正常淬火組織是碳化物＋馬氏體＋殘余奧氏體(30%左右)。圖8-2-9為高速鋼的正常淬火組織。
圖8-2-9 高速鋼的正常淬火組織
4、回火
為了消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織，減少殘余奧氏體的數(shù)量，達(dá)到所需要的性能，高速鋼一般需進(jìn)行三次650℃保溫1h的回火處理。高速鋼的熱處理工藝規(guī)范見(jiàn)圖8-2-10。圖8-2-11示出了回火溫度對(duì)18-4-1和6-5-4-2高速鋼強(qiáng)度(sbb。ss)硬度和塑性的影響。
圖8-2-10高速鋼的熱處理工藝規(guī)范圖
左上圖，顯示了奧氏體中合金元素的溶解溫度與淬火加熱溫度的關(guān)系。右上圖，顯示了回火溫度與高速鋼硬度之間的關(guān)系。下圖顯示了高速鋼的整個(gè)熱處理工藝--①球化退火工藝②淬火工藝③④⑤三次回火工藝。
圖8-2-11 回火溫度與18-4-1高速鋼的強(qiáng)度、硬度
圖中藍(lán)線顯示的是回火溫度，高速鋼在這個(gè)溫度回火具有很高的硬度，較好的強(qiáng)度和塑性
回火溫度在500-600℃之間，鋼的硬度、強(qiáng)度和塑性均有提高，而在550-570℃時(shí)可達(dá)到硬度、強(qiáng)度的大值。在此溫度區(qū)間，自馬氏體中析出彌散的鎢(鉬)及釩的碳化物(W2C、Mo2C、VC)，使鋼的硬度大大提高，這種現(xiàn)象稱為二次硬化。
與此同時(shí)，當(dāng)回火溫度500～600℃之間時(shí)，殘余應(yīng)力松弛，基體中析出了部分碳化物，使殘余奧氏體中合金元素及碳含量下降，Ms點(diǎn)升高。這種貧化的殘余奧氏體，在回火后的冷卻過(guò)程中，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使鋼的硬度也有所提高，這種現(xiàn)象稱為二次淬火。
正�；鼗鸷笥捕葹镠RC63～66，其組織為回火馬氏體加碳化物(見(jiàn)圖8-2-12)。
圖8-2-12 高速鋼回火組織（馬氏體+碳化物）
高速鋼回火組織是黑色的回火馬氏體加白色的碳化物。
5、高速鋼的表面強(qiáng)化
為改善刃具的切削效率和提高耐用性，生產(chǎn)上經(jīng)常對(duì)刃具進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。
表面強(qiáng)化主要有化學(xué)熱處理和表面復(fù)層處理兩類。前者包括蒸氣處理、氣體軟氮化、離子氮化、氧氮化(氧氮共滲)等。
表面復(fù)層處理則使金屬表面形成耐磨的碳化鈦、氮化鈦復(fù)層，許多國(guó)家已用于生產(chǎn)。
(三)高速鋼刃具的熱處理缺陷
高速鋼熱處理時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的主要缺陷有：過(guò)熱。過(guò)燒、變形開(kāi)裂、硬度不足、脫碳、萘狀斷口及腐蝕麻點(diǎn)。
（1）過(guò)熱：
由于淬火溫度過(guò)高等原因，造成晶粒過(guò)大，剩余碳化物數(shù)量減少，碳化物出現(xiàn)粘連。拖尾、角狀或沿晶界呈網(wǎng)狀分布的現(xiàn)象稱為過(guò)熱(圖8-2-13)。
圖8-2-13高速鋼的過(guò)熱組織
高速鋼過(guò)熱組織的特征是碳化物沿晶界呈網(wǎng)狀分布。
2）過(guò)燒：
淬火溫度接近鋼的熔化溫度，晶界熔化，出現(xiàn)萊氏體及黑色組織，稱為過(guò)燒(圖8-2-14)。過(guò)燒的刃具，常常出現(xiàn)嚴(yán)重的變形或皺皮現(xiàn)象，這種缺陷是不可挽救的。
圖8-2-14高速鋼的過(guò)燒組織
高速鋼過(guò)燒組織的特征是出現(xiàn)呈魚(yú)骨狀的萊氏體。
（3）脫碳：
高速鋼的脫碳組織如圖8-2-15所示。表面脫碳使工具的硬度降低，金相組織中出現(xiàn)有明顯的鐵素體，在其基體上還有碳化物存在。鋼的表層脫碳，使Ms點(diǎn)升高，在淬火時(shí)，表層先轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，形成一層薄的硬殼，隨后心部進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，體積膨脹，表層受到張應(yīng)力，易于引起開(kāi)裂，同時(shí)其硬度和耐磨性也降低，從而大大降低刃具壽命。
圖8-2-15高速鋼的脫碳組織
（4）萘狀斷口：
. 萘狀斷口呈閃光粗粒狀，有如萘光，故得名。其金相組織為粗大的晶粒(圖8-2-16)。產(chǎn)生萘狀斷口的刀具，強(qiáng)度、韌性極低，使用時(shí)易崩刃或折斷，是一種不可挽救的缺陷。萘斷口的形成主要是由于停鍛溫度過(guò)高(1050～1100℃)，而且變形量又在10～15％左右，或由于需返修而進(jìn)行兩次淬火，其間未經(jīng)退火造成的。如果淬火前不進(jìn)行充分退火，也容易產(chǎn)生萘狀斷口。
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