第章高速工具钢的冶炼

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。
• 10.2.7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 W6Mo 5Cr4V2Al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
• 10.3.2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 =0.033[W] +0.063[Mo] +0.060[Cr] +0.20[V] +0. 112[Nb]
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。
10.1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W≥9% (质量分数，下同）、Mo≤1.0%。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），W≤2.0%。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
• 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
10.3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
• 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。
10.1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。
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500 ~650℃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。
10.3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
• 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。
• 10.1.2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。
10.2 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
• 10.2.6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
• （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