第10章高速工具钢的冶炼.ppt

第10章高速工具钢的冶炼,主讲人：姚春发高工,10.1高速工具钢概况,10.1.1高速工具钢的含义以铬、钨、钼、钒碳化物为强化相的高碳髙合金莱氏体钢，在600高温下仍保持高的硬度、高的热稳定性（热硬性）、高耐磨性能及良好的强度与韧性，可以用于制造高速切屑加工的刀具和刃具、高温模具、轧辊等工具用钢，称为高速工具钢，俗称“白钢”或“锋钢”10.1.2高速工具钢的用途1.机械制造加工用的刀具与刃具主要用于制造加工不锈钢、热强钢、耐蚀合金、高温合金等难加工材料的刀具与刃具，如车、铣、刨、拉、剪切等所用的刀具与刃具。2.制作冷、热成形用模具高速工具钢除用于制造机械加工用刀具和刃具外，还可以用于制作冷冲压用模具、冲头、热作模具、冷作模具等。3.用作高温耐磨材料高速工具钢可以加工制造高温轴承，要求具有高硬度、髙精度、耐热和耐磨的特殊机械的零部件等。高速工具钢还可以制造冷轧用的精轧辊。,10.1高速工具钢概况,10.1.3高速工具钢的分类按照化学成分，可将高速工具钢分为钨系、钼系和钨钼系三大类。1.钨系高速工具钢钢中含W9%(质量分数，下同）、Mo1.0%。钢中碳化物颗粒粗大，分布均匀性差；过热敏感性小，热处理与热加工温区宽。代表钢号有：W18Cr4V、W14Cr4V2Co5、W12Cr4V2Co5、W9Cr4V2Co5等。2.钼系高速工具钢钢中含Mu=4%10%(质量分数，下同），W2.0%。钢中碳化物颗粒比钨系高速钢细小，分布比较均勻；过热敏感性大、易脱碳；热处理与热加工温区窄。代表性钢号有：W2Mo8Cr4VCo5、WMo4Ci4V2等。3.钨钼系高速工具钢钢中含W=3%12%(质量分数，下同）、Mo=3%8%。碳化物颗粒细小，分布比较均勻；过热敏感性低，不易脱碳；使用性能与工艺性较好。代表性钢号有:W6Mo5Cr4V2、W7Mo4Cr4V、W5Mo7Cr4V2Col2、W9Mo3Cr4V3、W12Mo3Cr4VCo3N,10.1高速工具钢概况,10.1.4高速工具钢的化学成分,10.1高速工具钢概况,10.1.5高速工具钢的特性髙的碳化物含量是构成高速工具钢特性的基础。钢中碳化物类型、数量、形态、尺寸大小及分布状况等，决定高速工具钢的使用性能和工艺性能。1.高速工具钢使用特性（1）淬火、回火硬度高速钢经淬火、回火后，所能达到的室温硬度，又称为二次硬度。淬火、回火硬度是代表高速钢的重要特性（2）高温硬度高速钢在500650温度下保持的硬度，称为高温硬度。高温硬度表示高速钢在高温下使用的持久能力。（3）热硬性热硬性是表示高速钢在高温下的组织稳定性和性能稳定性。（4）钢的高低温軔性高速钢的韧性，是表示在断续切削加工时，刀具承受冲击负荷和弯曲负荷双重应力作用的能力，是高速钢的重要使用性能。（5）耐磨性能用高速钢制作的刀具、刃具、模具等，要求使用时应具有小的磨损量，以达到延长使用寿命。,10.1高速工具钢概况,2.高速工具钢的工艺性能（1）高温热塑性高速钢中含有大量的高熔点、高硬度碳化物，分布于晶界区，使高速钢加工时变形抗力大、热塑性差，容易产生热裂纹。（2）氧化脱碳（3）裂纹敏感性髙速钢中碳化物量多，引起钢的热导率下降，加上组织的不均性和冷却过程组织变化等原因，造成高速钢的裂纹敏感性高，即容易产生裂纹。（4）可磨削加工性能钢中碳化物的数量、形态、分布，是影响可磨削性能的主要原因。改善碳化物的存在状况，对改善髙速钢磨削加工性能起着重要的作用。,10.2合金元素在高速工具钢中的作用,10.2.1碳元素的作用碳是支承高速钢特性的主干元素，是维系合金元素的核心。碳在高速钢中所起的作用有以下几个方面。1.碳与铬、钨、钼、钒、铌形成碳化物这些碳化物具有很高的硬度和熔点，是保持高速钢高硬度、高耐磨性的基础。2.碳对高速钢淬火硬度的影响含碳量不高(处于含量的中上限以下时）的情况下，淬火硬度随淬火温度的升高而增加。当钢中含碳量达到上限含量或平衡含量时，淬火硬度随淬火温度升高产生下降趋势。3.碳对高速钢回火硬度的影响不同的淬火温度下，随着含碳量的增高，回火硬度升高。含碳量超过上限后，随着含碳量增高，回火硬度逐渐下降。但是，获得最高硬度的回火温度，则随含碳量的增加而升高。4.碳对高速钢韧度的影响钢中合金元素含量一定时，随着含碳量的增加，钢的室温冲击韧度下降,10.2合金元素在高速工具钢中的作用,10.2.2钼元素的作用钼是高速钢中重要的合金元素，钢中含钼（质量分数）为0.50%10.0%。钼在钢中能与碳、铁形成M2C和M6C复合型碳化物，对钢的性能产生有利作用。钼在高速钢中的作用如下。1.提高钢的热塑性和韧性2.以钼代钨节约钨资源3.改善钢中碳化物形态提高耐磨性能,10.2合金元素在高速工具钢中的作用,10.2.3钨元素的作用钨是高速钢中重要的合金元素，其重要性仅次于碳。钨在钢中的作用主要如下。1.保持钢的高温硬度和热硬性2.细化钢的晶粒度3.高钨高速钢的碳化物偏析,10.2合金元素在高速工具钢中的作用,10.2.4铬元素的作用高速钢中含铬量（质量分数）3.5%4.5%。铬形成碳化物的能力较弱，在高速钢中的作用如下。1.提高钢的热处理工艺性能2.提高刀具的抗氧化性能3.参与二次硬化作用,10.2合金元素在高速工具钢中的作用,10.2.5钒元素的作用钒是高速钢中不可替代的重要的合金元素。钒是强碳化物形成元素，在高速钢中形成MC型碳化物。钒的作用如下。1.保持钢的高温硬度和热硬性2.提高钢的耐磨性能3.可磨削性差,10.2合金元素在高速工具钢中的作用,10.2.6钴元素的作用钴在高速钢中不会形成碳化物，以固溶形式溶于基体中。在高速钢中钻的质量分数为4%10%。其主要作用如下。1.保持钢的硬度和热硬性2.提高了高速钢的导热性3.降低钢的韧性,10.2合金元素在高速工具钢中的作用,10.2.7铝元素的作用高速钢中加铝量（质量分数）为0.80%1.20%,只有在我国研制的W6Mo5Cr4V2Al钢中含铝，又称M2A1。铝只适合加入在高碳高速钢中，才能取得效果。铝的作用与机理如下。1.提高钢的耐氧化性能2.提高钢的回火二次硬度3.改善钢的热塑性和韧性4.含铝高速钢存在的冶金质量问题1)含铝钢液流动性差，钢锭表面缺陷增多，应加强钢锭表面修整。2)铝是易氧化元素，会增加氧化物夹杂。应通过电渣重熔来降低夹杂物含量。3)含铝钢容易出现混晶、脱碳、磨削性差等问题，应有针对性地给予解决。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,10.3.1高速工具钢冶炼工艺的评价1.中频感应炉冶炼高速钢的特点中频感应炉冶炼高速钢，与电弧炉冶炼相比具有下列优点。（1）合金元素烧损少，能准确控制化学成分中频感应炉冶炼髙速钢时，炉料随炉加人，通过感应加热使炉料熔化。（2）充分利用返回料冶炼高速钢高速钢生产企业和使用部门产生大量返回料。(3)中频感应炉冶炼髙速钢的局限性1)感应炉冶炼浇注的钢锭，不能改善碳化物不均匀性、碳化颗粒粗大，以及碳化物偏析等缺陷。2)中频感应炉冶炼，在降低非金属夹杂物，以及提髙钢的纯洁度方面还存在不足。3)感应炉冶炼浇注钢锭，成材率比较低。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,2.电渣重熔高速钢的特点（1）改善钢锭铸态组织碳化物偏析高速钢的碳化物不均匀分布和碳化物颗粒粗大，根源是由于模铸钢锭铸态组织碳化物偏析。（2）提高了钢的纯净度通过电渣重熔高温熔渣的精炼，高速钢中杂质元素和非金属夹杂数量明显下降，钢的纯净度得到提高。(3)改善了钢的軔性和抗弯强度冲击韧度是高速钢的重要力学性能，对于高碳髙合金的髙速钢尤为重要。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,10.3.2高速工具钢碳含量的控制1.平衡含碳量及其计算方法(1)平衡含碳量的含义钢中碳化物形成元素全部形成碳化物时，所需要的含碳量就称为平衡含碳量。平衡含碳量用符号CP表示。（2）平衡含碳量CP的计算方法平衡含碳量CP的经验计算公式如下：Cp=0.033W+0.063Mo+0.060Cr+0.20V+0.112Nb,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,2.冶炼配料用实际配碳量由于高速钢中碳化物成分的复杂多样，完全按照平衡含碳量进行配碳时，对一部分钢号适用，但对另一部分钢号就可能不适用。因此，应根据钢号的使用性能和实践经验，进行适当的调整。3.中频感应炉冶炼钢中含碳量的控制（1）冶炼高速钢用原材料的选用中频感应炉冶炼高速钢使用的原材料，包括高碳铬铁、钼铁、钨铁、钒铁、铌铁、锰铁、金属钻、增碳材料、高速钢返回料和废钢等。（2）冶炼过程含碳量的控制冶炼高速钢时，希望钢中含碳量得到准确控制，更要求炉与炉之间相同钢号，其碳及其他元素含量的偏差越小越好。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,4.电渣重熔过程钢中含碳量的控制高速钢电渣重熔过程中，钢液含碳量的变化有以下两种情况：（1）电渣重熔后含碳量下降降低重熔渣中不稳定氧化物的措施如下：1）控制不稳定氧化物的来源。2）精炼重熔用渣3）减少大气与高温熔渣的接触。（2）电渣钢锭底部增碳石墨电极化渣过程中，熔渣中形成一定数量的CaC2，在重熔开始后分解成Ca和C。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,10.3.3高速工具钢中钨和钼元素的控制钨、钼是高速钢重要的合金元素，两者在钢中总含量（质量分数）一般在10%左右，最髙总含量（质量分数）达到20%。在冶炼钨、钼含量高的钢号时，应着重注意以下三个问题。（1）尽量利用返回料减少新料使用量（2）防止熔化期钨、钼铁合金沉底（3）新坩埚冶炼高速钢应加大钨的配人量,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,10.3.4高速工具钢中磷和硫含量的控制1.磷、硫对高速钢性能的影响磷、硫是高速钢中有害杂质元素，能显著降低钢的韧性，对使用性能带来不利的影响。（1）磷元素对高速钢性能的影响随着钢中含磷量的升高，抗弯强度明显下降。为了提髙抗弯强度，应尽量降低含磷量。（2）硫元素对高速钢性能的影响随着钢中含硫量的升高，钢的高温热塑性明显下降。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,2.中频感应炉冶炼高速钢氧化脱磷工艺操作要点（1）氧化脱磷工艺概况在感应炉内利用氧化渣中的FeO,将钢液中P氧化生成P2O5。然后，P2O5同炉渣中CaO结合形成稳定的磷酸钙3Ca0-P205。（2）氧化渣的组成脱磷用氧化渣的组成（质量分数）为：CaO=40%60%、CaF2=15%20%、FeO=12%16%。（3）炉料的组成冶炼采用部分返回料工艺，其中高速钢返回料占60%80%,新料占20%40%。（4）高速钢氧化脱磷的操作程序1）装料。2）熔清后调温和调渣。3）钢液的精炼与合金化。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,（5）高速钢氧化脱磷的效果氧化脱磷的平均脱磷率可以达到20%左右。（6）影响高速钢氧化脱磷效果的工艺因素为了取得良好的脱磷效果，在髙速钢氧化脱磷操作时，应当注意控制下列工艺参数和条件：1）钢液含硅量的控制。2）脱磷渣中CaO与FeO含量。3）脱磷时钢液温度的控制。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,3.沉淀脱磷在高速钢中的应用中频感应炉冶炼W6Mo5Cr4V2钢的工业性生产试验时，利用铝镁合金（其元素质量分数：Mg=60%、A1=40%)进行沉淀脱磷，取得了较好的效果。利用含钙、镁、钡对磷亲和力较强的磷化物生成元素，对高合金钢进行沉淀脱磷，是很有发展前途的感应炉脱磷工艺。结合氧化脱磷工艺的扩大应用，为感应炉增添了新的精炼能力。4.高速钢的脱硫方法（1）熔化期还原渣脱硫（2）钢液的沉淀脱硫（3）电渣重熔降低钢中含硫量,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,10.3.5高速工具钢中微量有害杂质元素的控制1.微量有害杂质元素对高速钢的危害（1）降低高速钢的韧性髙速钢的韧性（2）降低高速钢的耐磨性能2.降低高速钢中微量有害杂质元素的途径(1)控制由原材料带入的有官杂质元素的数量(2)加人稀土元素抑制有害杂质元素的有害作用,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,10.3.6改善高速工具钢钢锭的铸态组织缺陷高速钢钢锭的铸态组织，由莱氏体网与基体两部分组成。莱氏体共晶碳化物沿基体金属晶界分布，使其分割成不连续的、割裂分离的组织。因此，钢锭的铸态组织中，碳化物分布极不均匀，偏析严重。这种铸态组织缺陷对钢锭的热加工性能产生不良影响。要改善高速钢钢锭铸态组织缺陷，必须从以下方面采取措施。1.中频感应炉冶炼改善钢锭铸态组织的措施（1）严格控制高速钢钢锭的浇注工艺（2）尽量采用小锭型浇注（3）髙速钢钢液孕育处理细化钢锭铸态组织,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,2.利用电渣重熔改善高速钢钢锭的铸态组织缺陷电渣重熔是改善高速钢钢锭铸态组织缺陷的最佳工艺方法。经电渣重熔点，高速钢的碳化物不均匀性明显改善，粗大碳化物颗粒得到细化，钢的使用性能得到提高。在电渣重熔高速钢时，应重视以下工艺和操作问题：(1)重熔用结晶器的选择重熔高速钢时，特别是重熔钨系和高钨含量的钨钼系髙速钢时，在保证压缩比的前提下，应选择小直径结晶器，以利于碳化物的细化和提高其分布的均匀性。(2)采用浅熔池低熔速工艺重熔高速钢电渣重熔高速钢时，在保持电渣过程稳定的前提条件下，尽量降低熔速，是获得碳化物颗粒细小、分布均匀的重要条件。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,控制浅熔池低熔速必备的工艺条件如下：1）重熔电压和电流的控制。2）渣层厚度的控制。3）自耗电极与结晶器充填比的选择4）高速钢重熔用渣系的选择。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,10.3.7高速工具钢钢锭的脱模、冷却和退火处理高碳高合金莱氏体钢，钢锭铸态组织中存在大量碳化物。这些碳化物呈网状分布在金属晶羿上，使钢锭脆化。1.高速钢钢锭的脱模与冷却(1)电渣重熔钢锭的脱模与缓冷重熔结束，钢锭完全凝固后，l00kg以下小电渣钢锭脱模后，埋人热砂中堆冷至200后空冷。100800kg电渣钢锭脱模后，立即送退火炉进行去应力退火，或热送到锻轧加热炉，准备锻造或热轧开坯。(2)模铸钢锭的脱模与缓冷钢锭浇注完毕，在模内冷却至700左右才允许脱模。脱模后，立即人炉退火或人缓冷坑内至20min后空冷。钢锭退火后允许修整。,10.3高速工具钢的冶炼工艺与操作要点,2.高速钢钢锭的去应力退火冷却后的钢锭内部仍存在很大的内应力。由于铸态钢锭的塑性很差，对裂纹敏感性很强，必须在短时间内进行去应力退火。3.高速钢钢锭的高温均匀化退火高速钢钢锭进行髙温均匀化退火的目的，是改善模铸钢锭碳化物偏析和不均勻性，同时兼顾消除钢锭表面浅层缺陷，减少表面修整量。通过高温均匀化