S500鋼成型拉刀熱加工工藝試驗研究

王銘劼，曹紹林

(哈爾濱第一工具制造有限公司，哈爾濱150078)

S500鋼是典型的高性能鈷高速鋼。與傳統(tǒng)的M42鋼相比，該鋼主要元素的下限標(biāo)準(zhǔn)全部提高，化學(xué)成分控制范圍變窄?；瘜W(xué)成分改變后，S500鋼成型拉刀在熱處理前后的冷加工過程中出現(xiàn)不同程度的掉渣現(xiàn)象。針對此問題，本次試驗從熱加工方面入手，找出熱鍛后不同退火溫度和不同淬火溫度對成型拉刀質(zhì)量的影響，并確定出最佳熱加工工藝方案。

1 試樣的試驗過程與分析

試驗材料采用符合奧地利供貨標(biāo)準(zhǔn)的S500鋼材料，其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)為:1.08～1.12C、1.2～1.8W、3.6～4.4Cr、1.0～1.3V、9～10Mo、7.55～8.5Co。M42鋼標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)為:1.05～1.15C、1.15～1.85W、3.5～4.25Cr、0.95～1.35V、9～10Mo、7.5～8.75Co。通過用F20直讀光譜儀進(jìn)行檢測，試驗材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)為1.12C、1.46W、3.67Cr、0.91V、9.04Mo、7.97Co。該S500鋼化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)，碳化物不均勻度2級，符合≤3級的供貨要求。

試驗棒料規(guī)格為Φ20mm×320mm，投產(chǎn)成型拉刀，該 拉 刀 鍛 造 尺 寸 為15.5mm×9.5mm×570mm。鍛造、退火采用的工藝為:鍛造溫度全部選用1 070℃～1 100℃，退火溫度分別采用880℃、900℃、920℃三個溫度。熱處理采用的工藝為淬火加熱用1 140℃、1 150℃、1 160℃、1 170℃、1 180℃五個溫度，回火溫度采用550℃。

鍛造退火后分別在每個鍛件上取下相應(yīng)試樣，進(jìn)行硬度及金相組織檢測。結(jié)果顯示:三個退火溫度下的退火組織均為“S+碳化物”，見圖1～3。880℃退火時:退火后硬度217HB，脫碳層0.10mm;900℃退火時:退火后硬度236HB，脫碳層0.13mm;920℃退火時:退火后硬度269HB，脫碳層0.25mm。

圖1 880℃退火組織(200×)

圖2 900℃退火組織(200×)

圖3 920℃退火組織(200×)

熱處理過程分別對三個不同溫度退火試樣進(jìn)行五組不同淬火溫度試驗。具體結(jié)果見下表1。

表1 S500鋼試樣不同淬火溫度的金相組織

不同退火溫度下的退火組織均為“索氏體+碳化物”，并且隨著退火溫度的升高，索氏體組織越來越均勻細(xì)小，球化越來越好。球化越好，說明鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)越好，越有利于后序熱處理淬回火過程中內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變，減少二次淬火現(xiàn)象產(chǎn)生的傾向。但隨著退火溫度的升高，布氏硬度逐漸增大，脫碳層厚度逐漸增加。退火后硬度越高，軟化工件的效果越差，后序切削加工越困難;脫碳層加厚，需增加下料預(yù)留尺寸，提高了產(chǎn)品成本的同時，造成了材料外表面與內(nèi)部組織不均勻，增加了熱處理過程中殘余應(yīng)力出現(xiàn)的可能性，留下了組織缺陷，使材料在熱處理過程中易產(chǎn)生變形和開裂，而沒有體現(xiàn)出為達(dá)到改善組織以提高工件機(jī)械性能和為最終熱處理作準(zhǔn)備的目的。

熱處理淬火加熱溫度的選擇標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)M42鋼的熱處理淬回火溫度范圍而確定的，再通過化學(xué)成分的檢測結(jié)果，根據(jù)平衡碳量經(jīng)驗公式［1］，可預(yù)測出S500鋼的平衡碳量Cp:1.02，平衡碳差△C:1.00，碳飽和度Ac:1.10。該S500鋼平衡碳量Cp較高，表明合金化程度很高，材料的紅硬性會很好，而碳飽和度A也很高，說明二次硬化的能力較強(qiáng)，淬回火后的硬度提高。因為碳含量提高會降低奧氏體晶界的融化溫度，所以淬火溫度應(yīng)該降低，否則使用較高的溫度淬火的成型拉刀，脆性會明顯增大。因此，S500鋼應(yīng)該采用比M42鋼還低的溫度淬火。由表1可見，不同退火溫度對熱處理過程沒有大的影響。淬火晶粒度，回火硬度、過熱程度與淬火溫度有直接關(guān)系，而與退火溫度關(guān)系不大。隨著淬火溫度的升高，回火硬度也逐漸提高，但皆可保證在66HRC～68HRC的國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。1 180℃淬火時S500鋼出現(xiàn)了碳化物粘連現(xiàn)象，有過熱現(xiàn)象產(chǎn)生。

碳含量和合金元素含量是決定淬火加熱溫度范圍的主要指標(biāo)之一。與M42鋼相比，S500鋼碳含量和合金元素含量均提高。碳含量提高使復(fù)合碳化物數(shù)量增加，淬火加熱過程中奧氏體中的碳和合金元素濃度增加，碳化物不均勻度升高，鋼材熔點下降，因此在同一淬火溫度下，復(fù)合碳化物和附近的奧氏體之間就會發(fā)生反應(yīng)形成一定數(shù)量的液體，冷卻至室溫時重新凝固，出現(xiàn)碳化物粘連現(xiàn)象，即鋼材的過熱狀態(tài)。因此在1180℃加熱狀態(tài)下S500鋼就出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象。合金元素的增加，增加復(fù)合碳化物的數(shù)量、提高了硬度的同時，鋼材塑性下降，工藝性能降低，工件鍛造過程也易開裂。在淬火加熱過程中，鎢、鉬含量的增加雖可細(xì)化晶粒，但卻增加鋼材的脆性;鉬含量的增加則鋼材表面脫碳的傾向。鉻含量增加了鋼材的淬透性，但增加殘余奧氏體的穩(wěn)定性，回火難度增大。釩含量增加雖可提高耐磨性但卻增加了加工難度。鈷含量增加了鋼材紅硬性，但加劇了鋼材表面脫碳的傾向。因此，碳含量和合金元素含量的增加在提升鋼材硬度的同時也增加了鋼材的脆性。

2 成型拉刀試驗過程與分析

成型拉刀退火后的冷加工過程以銑削形式為主。在銑鍵寬序，880℃、900℃退火件出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象，因加工余量較大，并未影響生產(chǎn);920℃的退火件則沒有出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象。結(jié)合表1的試驗結(jié)果，成型拉刀分別采用1 140℃和1 170℃進(jìn)行淬火加熱，回火溫度采用550℃，熱處理后最終硬度值如下:

退火880℃下，淬火1 140℃硬度67.2 HRC，而淬火1 170℃硬度67.8HRC。退火900℃下，淬火1 140℃硬度67.3 HRC，而淬火1 170℃硬度67.8HRC。退火920℃下，淬火1 140℃硬度67.3 HRC，而淬火1 170℃硬度67.9HRC。

熱處理后冷加工序以磨削形式為主。在磨削過程中，1 140℃淬火的3支成型拉刀未出現(xiàn)任何掉渣現(xiàn)象，而1 170℃的3支成型拉刀全部產(chǎn)生掉渣現(xiàn)象。

S500鋼碳含量標(biāo)準(zhǔn)下限高于M42鋼，合金元素含量也高，理論上該鋼應(yīng)該有很好的紅硬性、耐磨性、強(qiáng)度。但是因為傳統(tǒng)的冶煉方法(鑄錠－鍛軋工藝)，不可避免地會產(chǎn)生粗大的萊氏體碳化物偏析組織，偏析組織的存在不僅損害了鋼的各種性能，而且還給鋼的后序熱加工造成困難。S500鋼屬于過共析鋼，鍛造過程為熱壓力過程，鍛造后采用不完全退火，目的是為了得到球狀珠光體和球狀碳化物組織，降低硬度，穩(wěn)定切削加工性能，消除內(nèi)部應(yīng)力，為淬火做準(zhǔn)備。高的合金含量，熱傳導(dǎo)系數(shù)下降，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力增大，特別是鈷元素的存在，導(dǎo)致碳化物不均勻度增加，塑性下降，鋼材的被切削性能差，脆性大。因此，S500鋼成型拉刀在銑削過程中很容易掉渣，且熱鍛退火溫度對成型拉刀銑削加工有影響，退火溫度越高，銑削掉渣傾向減小，這是因為較高的退火溫度下，組織易獲得細(xì)小奧氏體晶粒和未溶解的碳化物，冷卻過程也易獲得均勻分布的球狀碳化物，這種組織有利于得到好的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和韌性。從淬火組織可知，在不過熱的溫度范圍內(nèi)，淬火晶粒度比較細(xì)小，與退火溫度無關(guān)，而與淬火溫度有關(guān)，淬火溫度差10℃，引起晶粒度變化幅度卻不是十分明顯;淬火溫度越高，回火硬度越高，組織內(nèi)部應(yīng)力也越大。成型拉刀熱處理后都要進(jìn)行磨削加工，磨削過程不可避免的存在磨削應(yīng)力，對于高合金高硬度的S500鋼尤為明顯，再加上高的淬火溫度使組織內(nèi)部碳化物進(jìn)一步溶解，奧氏體晶粒長大，得到片狀馬氏體(孿晶馬氏體)，其顯微裂紋增大，脆性增加，造成成型拉刀脆性進(jìn)一步增大，導(dǎo)致拉刀在磨削加工過程中產(chǎn)生掉渣現(xiàn)象。

3 結(jié)語

S500鋼化學(xué)成分中碳含量和合金元素含量的提高，使鋼材本身性脆，可加工性差，熱鍛后退火溫度降低，淬火溫度降低，最終硬度處于國家標(biāo)準(zhǔn)的下限，可減小脆性，避免成型拉刀銑削、磨削加工中出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象。

［1］鄧玉昆，陳景榕，王世章.高速工具鋼［M］.北京.冶金工業(yè)出版社，2002.