红硬性

外部受热升温时工具钢仍能维持高硬度的功能，现在就温和型的度数

又名红性,是指外部受热升温时工具钢仍能维持高硬度（大于 60 HRC）的功能，现在就温和型的度数。红硬性是指材料在经过一定温度下保持一定时间后所能保持其硬度的能力。如刀具材料中的高速钢，应在600摄氏度下保持60分钟后空冷，连续地重复进行4次后去表面氧化层，然后得出的硬度。为保证高速钢的红硬性 ,必须加入W、Mo、Cr、V等碳化物形成元素。

性能介绍

高速钢较低合金工具钢有好得多的红硬性, 可将切削速度提高到50m/ min 以上, 故称高速切削钢。为保证高速钢的红硬性, 必须加入W 、Mo 、Cr 、V 等碳化物形成元素。为进一步提高红硬性, 还加入了价格昂贵的Co 。世界闻名的M42即Co-Mo 高速钢, 价格是M2 的5 倍。尽管M42 的σbb及aK等性能并不高, 但为了追求高硬度与高红硬性, 工厂不惜以5倍的高价购买M42 制作刀具。但遗憾的是往往结果并不理想, M42 不如M2Al 的报导时有所闻, 在立铣刀的对比试验中M42 的切削性能也仅相当于碳含量稍高的通用高速钢W9。原因何在, 有待弄清。另外, 我们新发展的用以取代M42 的M2Si-3 及取代M2Al 的M2Si-4在600℃以上的红硬性究竟如何也是大家十分关心的。

提高淬火温度, 使更多的碳化物溶入奥氏体中可以提高红硬性, 这已是公认的。但随淬火温度提高, 奥氏体晶粒将长大、性能将变坏, 故提高淬火温度有一限度。为尽可能提高淬火温度, 细化碳化物是主要途径, M2Si 系列高速钢就是按此指导思想研制的。

为了弄清几种常用高速钢的红硬性, 我们查阅了大量资料。但遗憾的是查得的数据十分分散, 矛盾百出, 无法从中得出明确结论。究其原因, 不难理解。因影响红硬性的因素很多, 其中包括钢料成分的波动、原始组织的差异、淬火温度的选择、硬度测量的误差等等。因此对同一种钢而言, 就可能在一个相当大的范围内波动。而各种钢的红硬性的差异本来就不大, 因此, 对两种钢来说, 在实际生产中就很难分出高低。为弄清上述问题, 我们取6 种常用的高速钢在完全相同的条件下进行了系统试验。

高速钢性能

选用了M42、Co3N 、M2Al、M2Si-4、M2 及M2Si-3 6 种常用钢进行对比试验。6 种钢均为电渣重熔钢, 均为 20mm 圆棒, 车加工成( 17 ～ 20mm)×8mm 试样(为防止搞混, 除打号外, 还用不同外径区别)。在盐浴炉中淬火加热, 每种钢取两个淬火温度, 加热时间按15s/ mm 计算。淬火加热时, 试样离液面距离保持固定。为防止分级淬火时有碳化物析出, 全部采用油淬。

在各种钢的常用回火温度下回火。观察淬火组织, 测出淬火回火后硬度, 最后分组在小箱式炉中加热到600 、625 及650℃测红硬性。每组3 个试样, 加热到指定温度后保温2h , 快冷至室温, 测硬度, 每个试样测2 ～ 3 次取3 个试样的平均值。再重新加热到指定温度保温2h 后快冷至室温, 测总保温时间为4h 的硬度, 此即通常所说的红硬性。第3 次再加热到指定温度, 保温4h , 快冷至室温, 测出总保温8h的硬度, 绘出HRC-τ曲线, 计算软化过程激活能Q , 最后对全部数据进行综合分析。

为保证测量硬度的准确, 每次测量时均用标准块对硬度计进行校对, 以确保测量值的波动范围<±0.2HRC 。

Co的作用

出乎意料, 600 ℃以上, Co 不仅不能提高红硬性, 反使M42 的硬度迅速下降, 使625 ℃及650 ℃红硬性反而低于M2Al 及M2Si-4。与文献中数据相比, M42 的数据还略高于文献中的数据, 这表明本试验结果无误。看来Co的作用主要是提高二次硬化效应, 对红硬性的影响可能不如碳。试验用M42 的平衡碳量并不高, 碳饱和度略高于M2Al及M2Si-4。经1170 ℃及1190 ℃淬火后硬度也不高, 但经540 ℃回火后硬度均高于69HRC , 高出M2Al 及M2Si-4 约2HRC, 经600℃×4h 回火M42 还能勉强保持这一优势。在某些情况下M42 的切削性能优于M2 及M2Al, 靠的就是600 ℃以下较高的硬高。如成分偏下限, 切削温度较高, 价格昂贵的M42 的切削性能很可能只有W9 的水平。

因Co3N 仅含3 %Co , 故二次硬化效果不如M42, 但Co3N含有N, N 对红硬性的贡献可能与C 同, 故Co3N 的红硬性优于M42 。但在650℃, 仍低于较高温度淬火的M2Al。

目前, 钢厂为降低成本, 有走下限的倾向, 后果是降低了钢的平衡碳量, 这就有可能降低硬度及红硬性。某厂在采用Co3N 时曾因此一次损失50 万元。

据此, 一方面我们应破除对Co 高速钢的迷信, 另一方面也要求钢厂保证Co 高速钢的质量。

碳的作用

根据已有的资料及我们所得结果, 高速钢的红硬性主要决定于淬火加热时溶入奥氏体的合金碳化物量。这既决定于钢的化学成分, 也决定于淬火加热温度及保温时间。钢的平衡碳量及碳饱和度愈高, 淬火加热温度愈高, 保温时间愈长,熔入奥氏体的碳化物愈多, 则淬火回火后的硬度及红硬性也愈高。用M2Al 的平衡碳量最高, 碳饱和度A >1 , 经较高温度淬火后具有最高的红硬性。但随淬火温度提高, 奥氏体晶粒将长大, 性能将变坏。

M2Al 经1240℃淬火后, 奥氏体晶粒度为8 ～ 9.5 级, 出现混晶, 淬火温度已偏高。由此可见, 为提高红硬性, 必须同时提高平衡碳量及碳饱和度, 但这将加重碳化物偏析及出现粗大碳化物使σbb 、σK 等下降。故最好的解决办法仍是采用粉末高速钢及少无莱氏体高速钢。

相关比较

M2Si-4 钢与M2Al 钢的对比

M2Si-4 钢与M2Al 钢具有相同的平衡碳量, 但M2Si-4 钢的碳饱和度低于M2Al 钢的, 故M2Si-4 钢淬火回火后的硬度低于M2Al 钢。但Si 使碳化物变细, 在碳化物总量相同的情况下可以增加碳化物颗粒数, 因而可以更加有效地阻止淬火加热时奥氏体晶粒的长大。故可在较高温度下加热使碳化物更充分溶入奥氏体中。M2Al 钢适宜的加热温度为1220℃, 1240℃加热虽可获得更高的红硬性, 但奥氏体晶粒已太粗大, 而M2Si-4 钢经1240 ℃加热奥氏体晶粒度仍为10 级, 碳化物溶解尚不充分, 淬回火后的硬度与红硬性已与1220℃淬火的M2Al 钢相同, 其它性能则优于M2Al钢。由此可见, M2Si-4 钢完全可以取代M2Al 钢, 甚至M42 钢。

通用高速钢

通用高速钢M2 的平衡碳量虽与M2Si-4 钢及M2Al 钢相同, 但因碳饱和度低, 故红硬性也低, 如用含碳较高的M2Si-3钢取代, 由于碳饱和度提高, 不仅可以提高淬火回火后硬度,还可提高红硬性。

总结

(1) 高速钢的红硬性主要取决于淬火加热时溶入奥氏体中的碳化物的量,合金元素对红硬性的影响还有待进一步研究。

(2)Co 能显著提高二次硬化效应, 也有可能提高高温硬度, 但不能提高红硬性, M42 钢在600℃以上的红硬性低于M2Al 钢及M2Si-4 钢。

(3)M2Si-4 钢的碳含量虽低于M2Al 钢, 但在最佳温度下淬火, 其红硬性与M2Al 钢相同, 而其它性能均优于M2Al钢, 故可用M2Si-4 钢取代M2Al 钢。

(4) 用碳饱和度较高的M2Si-3 钢取代M2 钢, 可以在不降低其它性能的前提下提高淬火回火后的硬度与红硬性。

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