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1、高碳回火马氏体型钢切削刃具钢,概述 失效分析与性能要求 使用性能与组织的关系 工艺性能与组织、成分的关系 刃具的使用组织及其成分设计,概述,切削刃具钢是一类用以制造各种切削刀具的钢种，如车刀、铣刀、钻头和锯片等。切削刃具钢在外力的作用下，强制的使钢件坯料的局部产生塑性变形，并进而使之与基体断裂开来。,失效分析与性能要求,常见失效形式： 机械磨擦而导致刀具刃部变钝以致丧失切割能力； 在连续高速切削时，刀具刃部温度升高，其硬度将大幅度降低而失去塑性形变抗力，从而不能产生切削作用； 受到弯曲或扭转作用力，刀具被折断； 在冲击的作用下，刃部产生脆断，即所谓崩刃。 性能要求： 高的耐磨性和高硬度； 高的
2、红硬性； 高的抗弯强度和切断抗力； 足够的塑性和韧性； 好的冷热加工性能和成型性。,耐磨性,刃具在工作时的失效主要是它的韧部与切屑及钢件表面的金属间相互滑动所产生的磨损造成的。 耐磨性通常是根据试样间的滑动磨损试验来评价的。试验结果表明，在淬火马氏体中未固溶碳化物对钢的耐磨性有着很大的作用。未固溶碳化物越多，耐磨性越好。因此，钢中常加入W、V和Cr等元素来提高耐磨性，至于未固溶碳化物究竟加入多少为好还是一个问题。,高碳钢通常采用正火和碳化物球化退火来调整碳化物的形态和分布，这种组织在正常的淬火和回火处理后便可获得在回火马氏体基体上均匀分布着粒状碳化物和未固溶渗碳体的组织。 高速切削钢经正常热处
3、理后为隐晶马氏体和未固溶的M6C、M2C和MC型碳化物，其M6C量较多，M2C和MC是回火过程中沉淀出来的，及二次硬化碳化物，这些含有未固溶碳化物或二次硬化碳化物的回火马氏体组织对于切削刀具抗滑动磨损是很有利的。,硬度,淬火马氏体的硬度主要是由碳原子间隙固溶所造成的晶体点阵不对称的四角弹性畸变场与位错的交互作用引起的；其次是马氏体晶界与位错的交互作用；另外是孪晶亚结构中孪晶界对位错滑移的阻碍作用。 淬火马氏体的硬度取决于过饱和固溶体中间隙固溶的量，但是将马氏体间隙固溶的C含量提高到一定值以上引起的硬化并不是很有效，而付出的牺牲塑性与韧性的代价却很大，因此不能仅依靠间隙固溶来提高硬度。,高碳的低
4、温回火马氏体和淬火马氏体的硬度基本相同，但是这两者的硬化机制是有些差异的。低温回火高碳马氏体的硬度除了间隙固溶的作用外，还有共格的碳化物沉淀的重要贡献。这时所获得的实际硬化效果维持不变，然而由于碳化物的沉淀使塑性和韧性得到了改善。 因此，为获得高的硬度，综合利用间隙固溶强化机制和碳化物沉淀强化机制是合理的。 马氏体置换固溶P、Si和Mn也可附加的增高硬度，相应的加入重量百分比1%，约分别提高200、100和90HB。,红硬性,红硬性是指刃具钢当其温度达到一定温度以后，如500600 ，仍能保持住高的塑变抗力的性能，因此它是表征刃具钢能在较高温度下保持住某种组织结构而不转化的性能。 为了使钢具有
5、马氏体组织形态的热稳定性，就要使钢具有高的马氏体组织的回复和再结晶抗力。W、Mo、Cr、V、Nb和Co等元素在Fe的置换固溶可提高Fe原子的自扩散激活能，阻碍位错攀移和交滑移，阻碍位错网络的连接，从而延迟回复再结晶过程。,在钢中均匀分布的过剩碳化物(M3C,M6C)细粒可以提高硬度和耐磨性而这些碳化物很不稳定，在升高温度时易于聚集长大，因而这种未固溶碳化物对红硬性贡献不大。W、V、Ti和Nb等元素在渗碳体中的固溶量非常小，Mo和Cr在其中的固溶量也有限，当它们在钢的含量超过在渗碳体中的固溶量便有可能在高温回火时以特殊碳化物M2C或MC方式在马氏体基体上均匀的析出，由于它们只在高温回火的条件下才
6、能沉淀出来，说明它们在较高的温度下是稳定的。,切断抗力,马氏体的切断抗力与其间隙固溶的C量有关，增多过饱和固溶C量可以提高切断抗力，降低正断抗力。,强度和塑性、韧性,当FeC合金的C量超过0.60，继续提高C量对合金的淬火组织硬度改变不多，但影响其淬火和低温回火组织的强度和塑性、韧性。协调强度、塑性和韧性可以一下几个方面来考虑： （1）保持奥氏体起始的细晶粒状态，从而得到细的马氏体组织； （2）控制未固溶碳化物的形态和分布，避免产生网状碳化物； （3）严格控制钢中的杂质元素的量，S0.020，P 0.030,工艺性能与组织、成分的关系,刃具钢在加工工艺性能上要求： （1）良好的冷热塑性形变加工
7、性、切削和磨削加工性。 （2）在加热时，低的过热敏感性，以及低的脱碳敏感。 （3）高的淬透性和淬硬性。 （4）低的热处理变形和开裂倾向性。 （5）好的热成型性。,过共析钢的粒状珠光体组织硬度约为160250HB，显然粒状珠光体是有利于切削加工组织状态。另外，此性能还与成分有关，如V含量会使磨削性变坏。 粗大的马氏体组织增大脆性断裂的倾向性，是刃具崩刃的一个原因，均匀的粒状珠光体组织的过热倾向性小，经适当的淬火处理后可得到隐晶马氏体。另外在钢中加入V、Cr、W等元素可以克服过热敏感性的缺点。,马氏体的淬透性对于刃具钢有两方面意义，一是要是刃具获得均匀的马氏体组织，二是可以实现缓慢冷却淬火，从而可
8、使刃具的淬火变形减低到最小程度。淬火前后体积差的控制通常是通过奥氏体量的改变来调整马氏体相变的体积的，亦即通过Ms点的改变来实现的，可以通过加入强烈降低Ms点的元素Mn来实现。,刃具的使用组织及其成分设计,高硬度、高磨损抗力刃具用钢 较高硬度、较高强度和适当韧性的刃具用钢 高红硬性、耐磨性和适当韧性的刃具钢,高硬度、高磨损抗力刃具用钢,在不连续切削或连续低速切削时，刃具的温度升高不致超过250，其所期望的性能主要是高硬度、磨损抗力以及适宜的韧性，故建议使用组织采用隐晶的低温回火马氏体和在其上均匀分布的未固溶渗碳体或合金渗碳体。 成分设计首先考虑的就是C量的确定： （1）回火马氏体间隙固溶C量
9、（2）未固溶渗碳体量 （3）碳化物量。,回火马氏体间隙固溶C量不必高于0.40%，可取0.25%0.40%，未固溶渗碳体量和回火碳化物量分别相当于0.2% 和0.5%0.6%。因此，这类钢的C量达到1.01.2%，以至1.3%。至于合金元素要考虑淬透性，细化晶粒，抗回火稳定性和碳化物的均匀分布等因素。,较高硬度、较高强度和适当韧性的刃具用钢,这类刃具在使用时受到冲击作用，在性能上比较强调强韧性的组合。耐磨性的要求对这类刃具局域次要地位，因此不要求在钢中存在为固溶碳化物。 建议使用组织设计方案： （1）低温回火孪晶马氏体，即孪晶马氏体和在其中均匀分布着碳化物的组织。 （2）典型的高碳下贝氏体。
10、这类钢的C量应属于亚共析成分。位保证刃具不低于60HRC的硬度，取含碳量0.6%0.7%。,高红硬性、耐磨性和适当韧性的刃具钢,应用于连续高速切削或加工硬度高和韧性好的钢材的刃具必须具有高的红硬性和耐磨性，以及适当的韧性，在这类刃具工作时，其韧部的温度可达500 600或更高。 针对这类刃具在红硬性上的特殊要求，建议以下两种使用组织设计方案： （1）固溶着一定C量和合金元素的马氏体基体二次硬化物未固溶碳化物。 （2）马氏体基体金属间化合物,在第一种方案中，对红硬性起作用的组织因素是具有抗回复再结晶的高稳定的马氏体基体和二次硬化碳化物。就碳化物类型而言，主要为M6C型碳化物，其次为M2C及MC。未固溶的过剩碳化物M6C主要起抗磨损的作用。 在第二种方案中，金属间化合物是通过高温时效处理从基体中沉淀出来的。由于时效温度低于硬化相聚集温度而高于使用温度，因此这种经高温时效的组织在高温时仍然具有高硬度和高磨损抗力。,
