W18Cr4V钢刀具自由锻工艺分析与应用

张永成闫加宝陈明达黄新宇孙洪国

中车齐齐哈尔车辆有限公司黑龙江齐齐哈尔161002

摘要：通过对W18Cr4V钢化学成分、组织及物理特性进行分析，制订出合理的加热、锻造操作、冷却工艺，减少了缺陷的产生，杜绝了废品。

关键词：W18Cr4V；锻造；加热；冷却

1引言

W18Cr4V钢是钨系高速钢的典型钢种，常被称为“白钢”、“风钢”。因其具有较高的红硬性和耐磨性的同时，还具备一定的韧性，对于一般的被加工材料具有良好的切削性能。与硬质合金相比，具有可锻造、热处理、机械加工不可比拟的工艺性及高性价比，所以W18Cr4V钢广泛应用于机加工刀具中，如车、铣、刨、铰、拉刀等小型刀具，特别是非标刀具。由于W18Cr4V钢锻造工艺性较差，锻造温度范围窄、导热性差，一旦加热、锻造工序操作出现问题，极易导致刀具坯料开裂。此外，使用过程中，除热处理原因外，锻造工艺的不合理也会导致刀头寿命低、过早失效。经过多年的生产实践，研究并制定出一套行之有效的W18Cr4V钢刀头自由锻工艺。

2W18Cr4V钢特性

2.1W18Cr4V钢化学成分分析

W18Cr4V钢是在T8A钢的基础上加入W、Cr、V元素形成的，其化学成分为：C（0.70%～0.80%）、W（17.5%～19%）、Cr（3.8%～4.4%）、V（1.0%～1.4%）、Mo（≤0.3%）。其中碳元素一部分与钨、铬、钼和钒（碳化物的形成元素）等形成碳化物，另一部分溶于奥氏体中，在淬火后形成碳含量过饱和的马氏体，以获得高红硬性、耐磨性。

钨元素是提高红硬性的主要元素，它在钢中形成碳化物Fe4W2C，一部分溶入奥氏体，淬火后形成含有大量钨及其他合金元素、有很高回火稳定性的马氏体。在回火时，一部分钨以W2C的形式弥散析出，造成二次硬化。在加热时，未溶的碳化物则起到阻止奥氏体晶粒长大，提高耐磨性的作用。

铬元素主要作用是提高淬透性，提高耐磨性、硬度，同时还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。钒元素与碳的结合力高于钨、钼。钒形成的碳化物在加热时，部分溶入奥氏体，回火时以细小的质点弥散析出，形成二次硬化，能显著地提高红硬性、耐磨性和韧性。

2.2W18Cr4V钢的组织分析

W18Cr4V钢的铸态组织包括呈骨骼状的、碳化物片状与马氏体或屈氏体相间排列的莱氏体，以及黑色组织（δ偏析）和白色组织（马氏体和残余奥氏体）。高速钢的铸态组织和化学成分尤其不均匀，而且热处理也不能改变，因而必须进行压力加工，将粗大的共晶碳化物打碎，并使其均匀分布，然后再用以制造各种刃具及模具。

W18Cr4V钢铸态组织中存在着凝固、冷却过程中析出的碳化物，通过热处理可使一部分碳化物溶解于奥氏体中，但还有一部分碳化物在以后的热处理中，不能或很少溶于奥氏体中，因此不能用热处理的方法对碳化物在高速钢中的分布状况进行改善，必须进行压力加工，将这种粗大的呈鱼骨状的、碳化物片状与马氏体或屈氏体相间排列的莱氏体击碎，使其变得细小而孤立分散、均匀分布在基体金属中，以获得良好的组织。高速钢锻造的目的和实质乃是通过压力加工来改善碳化物在高速钢中的分布状态，而不仅仅是改变它的外形。

3W18Cr4V钢锻造工艺性分析

3.1塑性低

高速钢具有莱氏体共晶体组织，共晶碳化物呈鱼骨状，沿着晶界呈网状分布、很脆、塑性很差。在变形过程中，这种脆性的共晶碳化物在过大的压力和过大的变形量下，容易产生破裂，因此开始锻造时应轻击，随着碳化物的鱼骨状组织和网络遭到一定的破碎、弥散，钢的塑性逐渐增高，这时才能加大打击力量和锻造变形程度。

3.2导热性低

高速钢的导热性比一般过共析钢低，一是要求缓慢、分段加热，使坯料加热均匀，而不适用快速加热法加热。

3.3淬透性高

高速钢属马氏体钢，在空气中冷却即能淬火，因此锻后要求缓冷，防止由于冷却速度过快而使应力增大，产生裂纹。

4锻造工艺

4.1加热

W18Cr4V钢锻造温度范围窄，始锻温度为1120～1180℃，终锻温度为900～950℃，终锻温度太低会引起锻件开裂，太高会造成晶粒不正常长大，出现萘状断口。采取分段方式进行加热，坯料较小时，采取两段式加热，低温段加热温度为800～900℃，加热速度一般控制在1min/mm；高温时快速加热，加热速度一般控制在0.5min/mm。加热时，为了防止过热或过烧，要严格控制上限温度。同时，炉内的坯料要装炉适量，进行适当翻转，以使其内外温度均匀。

4.2锻造操作控制

由于W18Cr4V钢变形抗力大，锻造设备吨位选择一般比锻造碳钢时加大一倍左右。

当坯料加热到工艺要求的温度后，即开始锻造。锻造前，锤砧、钳子、胎模等工具预热到100～200℃。采用轴向反复镦粗拔长法、径向“十字”锻造法和三向镦拔锻造法。

操作过程中应严格执行“两轻一重”的锻造方法，即当在开始锻造高温时轻击，坯料从头开始锻打逐渐锻至尾，开始轻打，每锻击一次的压下量不超过10mm，将整个毛坯全部轻击一遍，使钢的塑性有所提高，以防止开裂；当坯料发生一定变形，温度在1000～1050℃时重击，进一步打碎碳化物；当温度降低到1000℃以下时要轻击，以防内裂纹出现。

为避免锻造时出现裂纹，镦粗阶段锤击不易太重，必要时可先将端部“铆锻”后再镦粗，镦粗后立即拔长。拔长时，送进量要控制在锻件高度的0.6～0.8倍的范围内。送进量过小锻不透，过大则会产生“十字”裂纹。镦粗时要避免单面变形或发生歪斜。拔长时翻转毛坯要均匀，拔圆时要先倒角，不要在同一地方多次锤击。当发现坯料出现细小的裂纹、折叠等缺陷，立即停锻，进行铲修，然后再锻。

4.3锻后冷却

锻件锻后应立即放入白灰箱或干砂箱中掩埋缓冷，不可有外露部分。锻件埋入前，白灰或干砂的温度以100～200℃为宜。小锻件锻后，可在炉内保温后随炉冷至50℃出炉空冷。

5结语

通过对W18Cr4V钢的特性、工艺性的分析，进一步完善了锻造工艺，在高速钢W18Cr4V锻造生产中，制定了合理加热、锻造、冷却工艺，彻底消除表面、内部裂纹，减少了废品产生，提高了刀具使用寿命。