紅硬性

紅硬性

又名紅性,是指外部受熱升溫時工具鋼仍能維持高硬度(大於 60 HRC)的功能,現在就溫和型的度數。紅硬性是指材料在經過一定溫度下保持一定時間後所能保持其硬度的能力。如刀具材料中的高速鋼,應在600攝氏度下保持60分鐘後空冷,連續地重複進行4次後去表面氧化層,然後得出的硬度。為保證高速鋼的紅硬性 ,必須加入W、Mo、Cr、V等碳化物形成元素。

性能介紹

高速鋼較低合金工具鋼有好得多的紅硬性, 可將切削速度提高到50m/ min 以上, 故稱高速切削鋼。為保證高速鋼的紅硬性, 必須加入W 、Mo 、Cr 、V 等碳化物形成元素。為進一步提高紅硬性, 還加入了價格昂貴的Co 。世界聞名的M42即Co-Mo 高速鋼, 價格是M2 的5 倍。儘管M42 的σbb及aK等性能並不高, 但為了追求高硬度與高紅硬性, 工廠不惜以5倍的高價購買M42 製作刀具。但遺憾的是往往結果並不理想, M42 不如M2Al 的報導時有所聞, 在立銑刀的對比試驗中M42 的切削性能也僅相當於碳含量稍高的通用高速鋼W9。原因何在, 有待弄清。另外, 我們新發展的用以取代M42 的M2Si-3 及取代M2Al 的M2Si-4在600℃以上的紅硬性究竟如何也是大家十分關心的。

提高淬火溫度, 使更多的碳化物溶入奧氏體中可以提高紅硬性, 這已是公認的。但隨淬火溫度提高, 奧氏體晶粒將長大、性能將變壞, 故提高淬火溫度有一限度。為儘可能提高淬火溫度, 細化碳化物是主要途徑, M2Si 系列高速鋼就是按此指導思想研製的。

為了弄清幾種常用高速鋼的紅硬性, 我們查閱了大量資料。但遺憾的是查得的數據十分分散, 矛盾百出, 無法從中得出明確結論。究其原因, 不難理解。因影響紅硬性的因素很多, 其中包括鋼料成分的波動、原始組織的差異、淬火溫度的選擇、硬度測量的誤差等等。因此對同一種鋼而言, 就可能在一個相當大的範圍內波動。而各種鋼的紅硬性的差異本來就不大, 因此, 對兩種鋼來說, 在實際生產中就很難分出高低。為弄清上述問題, 我們取6 種常用的高速鋼在完全相同的條件下進行了系統試驗 。

高速鋼性能

選用了M42、Co3N 、M2Al、M2Si-4、M2 及M2Si-3 6 種常用鋼進行對比試驗。6 種鋼均為電渣重熔鋼, 均為 20mm 圓棒, 車加工成( 17 ~ 20mm)×8mm 試樣(為防止搞混, 除打號外, 還用不同外徑區別)。在鹽浴爐中淬火加熱, 每種鋼取兩個淬火溫度, 加熱時間按15s/ mm 計算。淬火加熱時, 試樣離液面距離保持固定。為防止分級淬火時有碳化物析出, 全部採用油淬。

在各種鋼的常用回火溫度下回火。觀察淬火組織, 測出淬火回火後硬度, 最後分組在小箱式爐中加熱到600 、625 及650℃測紅硬性。每組3 個試樣, 加熱到指定溫度後保溫2h , 快冷至室溫, 測硬度, 每個試樣測2 ~ 3 次取3 個試樣的平均值。再重新加熱到指定溫度保溫2h 後快冷至室溫, 測總保溫時間為4h 的硬度, 此即通常所說的紅硬性。第3 次再加熱到指定溫度, 保溫4h , 快冷至室溫, 測出總保溫8h的硬度, 繪出HRC-τ曲線, 計算軟化過程激活能Q , 最後對全部數據進行綜合分析。

為保證測量硬度的準確, 每次測量時均用標準塊對硬度計進行校對, 以確保測量值的波動範圍<±0.2HRC 。

Co的作用

出乎意料, 600 ℃以上, Co 不僅不能提高紅硬性, 反使M42 的硬度迅速下降, 使625 ℃及650 ℃紅硬性反而低於M2Al 及M2Si-4。與文獻中數據相比, M42 的數據還略高於文獻中的數據, 這表明本試驗結果無誤。看來Co的作用主要是提高二次硬化效應, 對紅硬性的影響可能不如碳。試驗用M42 的平衡碳量並不高, 碳飽和度略高於M2Al及M2Si-4。經1170 ℃及1190 ℃淬火後硬度也不高, 但經540 ℃回火後硬度均高於69HRC , 高出M2Al 及M2Si-4 約2HRC, 經600℃×4h 回火M42 還能勉強保持這一優勢。在某些情況下M42 的切削性能優於M2 及M2Al, 靠的就是600 ℃以下較高的硬高。如成分偏下限, 切削溫度較高, 價格昂貴的M42 的切削性能很可能只有W9 的水平。

因Co3N 僅含3 %Co , 故二次硬化效果不如M42, 但Co3N含有N, N 對紅硬性的貢獻可能與C 同, 故Co3N 的紅硬性優於M42 。但在650℃, 仍低於較高溫度淬火的M2Al。

目前, 鋼廠為降低成本, 有走下限的傾向, 後果是降低了鋼的平衡碳量, 這就有可能降低硬度及紅硬性。某廠在採用Co3N 時曾因此一次損失50 萬元。

據此, 一方面我們應破除對Co 高速鋼的迷信, 另一方面也要求鋼廠保證Co 高速鋼的質量 。

碳的作用

根據已有的資料及我們所得結果, 高速鋼的紅硬性主要決定於淬火加熱時溶入奧氏體的合金碳化物量。這既決定於鋼的化學成分, 也決定於淬火加熱溫度及保溫時間。鋼的平衡碳量及碳飽和度愈高, 淬火加熱溫度愈高, 保溫時間愈長,熔入奧氏體的碳化物愈多, 則淬火回火後的硬度及紅硬性也愈高。用M2Al 的平衡碳量最高, 碳飽和度A >1 , 經較高溫度淬火後具有最高的紅硬性。但隨淬火溫度提高, 奧氏體晶粒將長大, 性能將變壞。

M2Al 經1240℃淬火後, 奧氏體晶粒度為8 ~ 9.5 級, 出現混晶, 淬火溫度已偏高。由此可見, 為提高紅硬性, 必須同時提高平衡碳量及碳飽和度, 但這將加重碳化物偏析及出現粗大碳化物使σbb 、σK 等下降。故最好的解決辦法仍是採用粉末高速鋼及少無萊氏體高速鋼 。

相關比較

M2Si-4 鋼與M2Al 鋼的對比

M2Si-4 鋼與M2Al 鋼具有相同的平衡碳量, 但M2Si-4 鋼的碳飽和度低於M2Al 鋼的, 故M2Si-4 鋼淬火回火後的硬度低於M2Al 鋼。但Si 使碳化物變細, 在碳化物總量相同的情況下可以增加碳化物顆粒數, 因而可以更加有效地阻止淬火加熱時奧氏體晶粒的長大。故可在較高溫度下加熱使碳化物更充分溶入奧氏體中。M2Al 鋼適宜的加熱溫度為1220℃, 1240℃加熱雖可獲得更高的紅硬性, 但奧氏體晶粒已太粗大, 而M2Si-4 鋼經1240 ℃加熱奧氏體晶粒度仍為10 級, 碳化物溶解尚不充分, 淬回火後的硬度與紅硬性已與1220℃淬火的M2Al 鋼相同, 其它性能則優於M2Al鋼。由此可見, M2Si-4 鋼完全可以取代M2Al 鋼, 甚至M42 鋼 。

通用高速鋼

通用高速鋼M2 的平衡碳量雖與M2Si-4 鋼及M2Al 鋼相同, 但因碳飽和度低, 故紅硬性也低, 如用含碳較高的M2Si-3鋼取代, 由於碳飽和度提高, 不僅可以提高淬火回火後硬度,還可提高紅硬性 。

總結

(1) 高速鋼的紅硬性主要取決於淬火加熱時溶入奧氏體中的碳化物的量,合金元素對紅硬性的影響還有待進一步研究。

(2)Co 能顯著提高二次硬化效應, 也有可能提高高溫硬度, 但不能提高紅硬性, M42 鋼在600℃以上的紅硬性低於M2Al 鋼及M2Si-4 鋼。

(3)M2Si-4 鋼的碳含量雖低於M2Al 鋼, 但在最佳溫度下淬火, 其紅硬性與M2Al 鋼相同, 而其它性能均優於M2Al鋼, 故可用M2Si-4 鋼取代M2Al 鋼。

(4) 用碳飽和度較高的M2Si-3 鋼取代M2 鋼, 可以在不降低其它性能的前提下提高淬火回火後的硬度與紅硬性 。

相關詞條

相關搜尋

熱門詞條

聯絡我們