W18Cr4V工具钢金相分析 化学成分检测

W18Cr4V工具钢金相分析与化学成分检测

一、化学成分检测

W18Cr4V是一种典型的钨系高速工具钢，其化学成分（质量百分比）如下：

• 碳（C）：0.70%~0.80%
  提供硬度和强度，是形成碳化物的核心元素。

• 钨（W）：17.50%~19.00%
  主要红硬性元素，形成稳定碳化物（如WC），淬火时部分溶解于奥氏体，回火时析出弥散碳化物，产生二次硬化效应。

• 铬（Cr）：3.80%~4.40%
  提高淬透性和耐腐蚀性，同时参与碳化物形成。

• 钒（V）：1.00%~1.40%
  形成稳定碳化物（VC），回火时以细小质点弥散析出，显著提升红硬性和耐磨性。

• 硅（Si）：≤0.40%
  提高韧性和可焊性。

• 锰（Mn）：≤0.40%
  辅助脱氧，改善热加工性能。

• 磷（P）：≤0.030%
  硫（S）：≤0.030%
  严格控制杂质含量，避免降低材料性能。

检测方法：

• 光谱分析（如原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法）：快速测定元素含量。

• 湿法化学分析：通过溶解样品后滴定或比色法测定特定元素。

• 标准依据：GB/T 9943-2008《高速工具钢》。

二、金相分析

• 莱氏体结构：由骨骼状碳化物（共晶碳化物）与马氏体/屈氏体混合组织（黑色组织）组成，碳化物呈网状分布。

• 白色组织：未共析转变的奥氏体在快速冷却下转变为淬火马氏体和残留奥氏体，因不易浸蚀而呈白色。

• 问题：碳化物分布不均，需通过热加工破碎。

• 目的：消除内应力，降低硬度（≤269HB），改善切削加工性。

• 组织特征：细珠光体（索氏体）+ 碳化物。

• 碳化物均匀度：

• 评级标准：YB/T 12-77《高速工具钢技术条件》第二级别图，分带状和网状两个系列，各1~8级。

• 取样位置：圆钢直径或方钢对角线的1/4处纵向试样。

• 影响：碳化物不均会降低热塑性、热处理稳定性及机械性能（如强度、韧性）。

• 淬火工艺：

• 预热：820~870℃（盐浴炉）或830~880℃（箱式炉）。

• 加热：1270~1290℃（盐浴炉）或1280~1300℃（箱式炉），油冷。

• 组织特征：

• 隐针状淬火马氏体：因不易浸蚀而呈白色。

• 残留奥氏体：体积分数约30%，与马氏体共存。

• 颗粒共晶碳化物：未溶解的碳化物颗粒。

• 晶粒度评定：

• 标准：GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定法》或ZBJ 36003-87级别图。

• 方法：硝酸酒精溶液浸蚀后，放大100倍或500倍评定。

• 意义：晶粒度异常（粗大或细小）可能反映淬火温度偏差。

• 回火工艺：540~560℃回火2次，每次2h。

• 组织特征：

• 回火马氏体：基体组织，提供硬度。

• 弥散碳化物：钨、钒的碳化物析出，产生二次硬化。

• 残留奥氏体：经三次回火后残留量降至1%~2%。

• 问题：

• 回火不足：残留奥氏体未完全转变，组织中可见奥氏体晶粒。

• 过热：晶界碳化物溶解或析出网状组织。

• 过烧：出现黑色组织及共晶莱氏体，导致脆化。

• 工艺：560~570℃气体氮碳共渗2h。

• 组织特征：

• 表面化合物层：白色ε相（厚度约10μm），脆性较大。

• 扩散层：黑色含氮马氏体、细网状氮化物及块状碳化物。

• 问题：

• 化合物层过厚：易开裂、剥落，需控制氮浓度和共渗时间。

三、关键问题与控制措施

1. 碳化物不均匀度：

• 影响：降低热塑性、热处理稳定性及刀具寿命。

• 控制：通过锻造（反复镦粗、拔长，锻造比8~14）破碎碳化物，改善分布。

2. 淬火裂纹：

• 原因：加热温度过高（过烧）、冷却速度过快。

• 控制：严格监控淬火温度（1270~1290℃），采用分级淬火或等温淬火。

3. 回火硬度不足：

• 原因：回火温度过高或次数不足。

• 控制：按标准进行三次回火（540~560℃），确保残留奥氏体充分转变。

4. 脱碳层：

• 影响：降低表面硬度和耐磨性。

• 控制：退火状态法或等温淬火法测定脱碳层深度，热轧钨系高速钢允许脱碳层深度为0.3%~1.0%D（D为直径）。