工具钢热处理工艺-组织-性能的系统分析

(综合性实验)

一、实验目的

1.掌握工具钢热处理中成分—工艺—组织—性能内在关系； 2.通过实验，掌握材料的系统分析方法。 3.了解工具钢不同工艺条件下的常见组织。

二、实验原理

工具钢主要用于制造各种切削刀具，模具和量具。所以要有高的硬度和耐磨性、高的强度和冲击韧性等。常用的工具钢有T10、9CrSi、Cr12MoV、W18Cr4V等。T10是普通碳素工具钢，淬火－回火态组织为：回火马氏体＋颗粒状碳化物渗碳体＋少量残余奥氏体。9CrSi是低合金工具钢，淬火－回火态组织为：回火马氏体＋颗粒状碳化物渗碳体。Cr12MoV是模具钢，淬火－回火态组织为：回火马氏体＋块状碳化物渗碳体。下面以高速钢为例，介绍其热处理工艺特点,显微组织与性能的关系。

铸态的高速钢的显微组织黑色组织为δ共析相；白色组织是马氏体和残余奥氏体；鱼骨状组织是共晶莱氏体。铸态高速钢的显微组织中，碳化物粗大，且很不均匀，不能直接使用，必须进行反复锻造。锻造后还须进行退火。退火的目的：① 消除锻造应力，降低硬度便于切削加工；② 为淬火组织做好组织上的准备。因为原组织为马氏体、屈氏体、或索氏体的高速钢，未经退火，淬火时可能引起萘状断口。退火温度宜为860～880℃，加热时间为3～4小时左右，为了缩短退火时间，一般采用等温退火，即：860～880℃加热3～4小时，炉冷到700～750℃等温4～6小时。锻造退火组织：在索氏体基体上分布着粗大的初生碳化物和较细的次生碳化物（碳化物呈白亮点）。

高速钢的淬火工艺的特点：主要是加热淬火温度高。目的是尽可能多的使碳和合金溶入奥氏体。高速钢的淬火方法有油淬、分级、等温、空冷等。以W18Cr4V为例，淬火温度在1270℃～1290℃，淬火组织是由（60～70%）马氏体和（25～30%）残余奥氏体及接近10%的加热时未溶的碳化物组成，晶粒度9～10级。硬度63～64HRC。当淬火温度不足，在1240℃～1260℃时，碳化物大部分未溶入奥

氏体，晶粒度为11～12级。硬度62～63HRC。当淬火温度过高，在1300℃～1310℃时，碳化物数量减少，晶粒度7～8级。硬度64～65HRC。当淬火加热温度达1320℃左右时，晶界开始熔化，出现共晶莱氏体和δ共析相，此时过烧。当两次淬火之间未经充分退火，易产生萘状断口，断口呈鱼鳞状白色闪光，如萘光，晶粒粗大，或大小不匀。为了进一步减少变形并提高韧性，对于形状复杂，碳化物偏析严重的刀具可用等温淬火。等温温度为240～280℃左右，其组织为40～50%下贝氏体和20%马氏体和35～45%残余奥氏体及未溶碳化物。

高速钢回火工艺的特点，主要是回火温度高，回火次数多，回火温度在560～570℃时，硬度和强度可达到最大值。由于淬火高速钢中残余奥氏体数量较多，经一次回火后，仍有10%的未转变，硬度64～65HRC。再进行两次回火，才能基本转变完。第一次回火对淬火马氏体起回火作用，而在回火冷却中残余奥氏体转变成马氏体时又产生了新的应力，所以需要第二次回火，而第二次回火后由产生新的应力，还需要第三次回火进一步消除应力，有利于提高钢的强度和韧性，所以高速钢的典型回火规定是560℃，回火三次，每次1小时，回火后钢的硬度比淬火后略高，约在63～66HRC，得到组织是回火马氏体和未溶碳化物和1～2%残余奥氏体。

三、实验设备及试样

1.设备：4X型金相显微镜；洛氏硬度计。 2.试样： 1）9CrSi、Cr12MoV的金相试样一套；

2）W18Cr4V经不同温度淬火—回火的硬度试样一套。 3）W18Cr4V经不同温度回火的硬度试样一套。

四、实验内容

1．观察分析工具钢不同温度淬火-回火下的显微组织，见表1。观察分析高速钢不同温度淬火下的显微组织，见表2。

2．硬度测试：不同淬火温度的W18Cr4V试样，相同淬火温度不同回火温度

的W18Cr4V试样。将试验结果填空入表3和表4。

表1工具钢不同热处理工艺制度下的显微组织

序号 2 3 4 W18Cr4V 材料名称 9CrSi 处理工艺 淬火+回火 铸态 退火 显微组织 回火马氏体＋颗粒状碳化物渗碳体 共晶莱氏体+黑色组织 +马氏体+残余奥氏体 索氏体＋碳化物 （60 ～70%）马氏体＋5 1280℃淬火 （25 ～30%）奥氏体（残余2 ～3%）＋10％未溶碳化物 6 7 8 Cr12MoV 1280℃淬火560℃回火三次 退火 淬火+回火 回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体 索氏体＋碳化物 隐晶马氏体＋碳化物 3％硝酸酒精溶液 3％硝酸酒精溶液 3％硝酸酒精溶液 30％硝酸酒精溶液 浸蚀剂 3％硝酸酒精溶液 3％硝酸酒精溶液 3％硝酸酒精溶液

表2 W18Cr4V高速钢不同温度淬火后的金相试样

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 淬火温度/℃ 1220 1240 1260 1280 1290 1300 1310 1320 显微组织 隐晶马氏体＋残余奥氏体＋未溶碳化物 （奥氏体晶粒不明显、碳化物极少部分溶入奥氏体） 隐晶马氏体＋残余奥氏体＋未溶碳化物 （奥氏体晶粒细小、碳化物大部分未溶入奥氏体） 隐晶马氏体＋残余奥氏体＋未溶碳化物 （奥氏体晶粒小、碳化物部分未溶入奥氏体） 隐晶马氏体（60～70％）＋残余奥氏体（25～30％） ＋10％未溶碳化物 隐晶马氏体（65～72％）＋残余奥氏体（20～30％） ＋8％未溶碳化物 隐晶马氏体＋残余奥氏体＋未溶碳化物 （奥氏体晶粒粗大、碳化物数量小于5%） 隐晶马氏体＋残余奥氏体＋未溶碳化物 （奥氏体晶粒异常长大、碳化物聚集到晶界、呈角状） 晶界开始熔化、出现共晶莱氏体和δ共析相

五、实验报告与综合分析

1.实验目的。

2.画出所观察试样的显微组织示意图，并标明材料、状态、显微组织、腐 蚀剂、放大倍数。

3.绘出高速钢的硬度与不同淬火加热温度，以及不同回火温度的关系曲线。 4.根据成分特点，以高速钢为例对热处理工艺—组织—性能进行系统分析。 （1）通过对W18Cr4V各种状态显微组织的观察，在组织上如何区别铸态和过烧组织、退火和回火组织、不同温度的淬火组织、充分回火与不充分回火的组织，并进行分析其原因。

（2）高速钢W18Cr4V的AC1在800℃左右，但淬火加热温度一般在1250~1280℃，淬火加热温度为什么这样高?

（3）高速钢在淬火加热时，有可能会产生欠热、过热和过烧现象，根据金相组织上的特征，进行分析?

（4）W18Cr4V在560℃长时间一次回火，是否可以代替3次回火？

表 3 硬度与淬火温度关系表

淬火温度/℃ 硬度 淬火温度/℃ 硬度 1220 1290

表 4 硬度与回火温度关系

回火温度 / ℃ 淬火温度 / ℃ 200 300 400 500 硬度/ HRC 1240 1280 1310 570 600 650 1240 1300 1260 1310 1280 1320