高速钢软化新工艺开发.docx

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1、毕业设计说明书（论文）中文摘要W18G4V钢中合金元素含量很高，特别是钨的含量高达18%，钢中合金碳化物的数量很多且不均匀性较严重。合金碳化物在正常的热处理温度下不能完全溶解到奥氏体中去，因此不能靠正常的热处理方法来使碳化物分布均匀，只有通过锻，轧等压力加工的方法，才能将粗大的碳化物击碎，使其分布均匀。锻造后的毛胚硬度很高，一般在60HRC以上，无法进行机械加工，所以需要采用软化工艺。传统的软化工艺主要为等温球化退火，工艺周期较长，能源消耗大。通过对几个新型的软化工艺的尝试，包括水瀑退火，循环球化退火，水退火，高温回火等四个工艺，对组织和硬度分析，确定了采用循环退火工艺，硬度可以降低到30HR

2、C左右，能很好地进行切屑加工，同时可以有效的缩短热处理时间。关键词 W18G?4V钢；新工艺；软化；组织；硬度为降低高速钢的硬度，在切削加工前要进行软化处理。传统的软化工艺主要为等温球化退火，工艺周期较长，能源消耗大。本课题力求通过对新型的软化工艺的尝试，确定节能优化工艺。为此进行了水瀑退火，循环球化退火，水退火，高温回火四个工艺的试验研究，对各种工艺的组织和硬度进行了分析。试验结果表明：最佳软化工艺为高温回火，新工艺与传统工艺相比周期缩短，其组织和硬度都可以达到加工要求。循环退火同样能够满足要求，在设备允许的条件下，具有较好的应用价值。毕业设计说明书（论文）外文摘要Title W18G4V

3、steel to soften the development of new technologyAbstractThere is high content of alloying elements in W18G4V steel, In particular, tungsten content of up to 18%. Carbide alloy steel and uneven number of much more serious nature. Carbide alloy heat treatment temperature in the normal can not be comp

4、letely dissolved into the austenite to go, so can not rely on the normal heat treatment to make the carbon distribution is only through forging, rolling and processing methods such as pressure, can be coarse carbide crushed, so that distribution. Blanks after forging is very hard, generally more tha

5、n 60HRC, can not be machined, so they need by softening process. Softening process is mainly the traditional isothermal annealing, longer process cycle, energy consumption. Through the softening process of several new attempts, including the Cascade annealing, cyclic annealing, water, annealing, tem

6、pering the four processes of the organization and hardness were determined by cyclic annealing process, the hardness can be reduced to 30HRC so, can well be the chip processing, and can effectively shorten the treatment time.Keywords W18G4V steel; new technology; softening目 录第一章 绪论21.1 W18Cr4V钢的性能特点

7、21.1.1化学成分特点21.1.2组织结构特点31.1.3 W18Gr4V钢退火过程中的组织转变31.2 W18Gr4V钢软化传统工艺31.2.1 等温球化退火31.2.2目前存在的问题41.3 W18Gr4V钢软化新工艺41.3.1循环球化退火工艺41.3.2水退火法51.3.3水瀑退火51.3.4高速钢快速退火工艺51.3.5高速钢高温回火工艺51.4.钢的软化机理61.4.1 铁素体基体相的软化61.4.2粗化碳化物颗粒，降低退火硬度61.5硬度与切削性能71.5.1易切削机理71.5.2 组织与切削71.5.3硬度与切削8第二章 实验材料和实验方法102.1实验材料102.2实验方案

8、102.3实验设备11第三章 新工艺开发研究123.1 新工艺研究123.1.1循环球化退火工艺123.1.2 水退火工艺153.1.3 高温回火工艺173.1.4 水瀑退火工艺213.2热处理参数对于材料硬度的影响223.2.1 温度的影响223.2.2 冷却方式的影响233.3关于碳化物的研究233.4关于晶粒的研究243.5关于位错的研究253.6切削性能实验263.6.1关于切削性能的研究263.6.2 实验与结果26第四章 结论27参考文献28致谢30 前言W18Gr4V钢是钨系高速钢的典型钢种，它是一种历史最久，应用最广的通用型高速钢.W18Gr4V钢中的合金元素含量很高，特别是钨

9、的含量高达18%，钢中合金碳化物的数量很多，碳化物不均匀性较严重。高速钢中的合金碳化物，在正常的热处理温度下，不能完全溶解到奥氏体中去，因此不能靠正常的热处理来是碳化物分布均匀，只有通过锻，轧等压力加工的方法，才能将粗大的碳化物击碎，使其分布均匀。因此高速钢锻造的目的，不单是为了获得一定集合尺寸的毛坯，也是为了消除碳化物的不均匀现象。因此高速钢必须经过锻造，且应严格控制锻造工艺。锻造后的毛坯必须经过退火，以降低硬度，消除应力。传统工艺的热处理时间太长，造成人员，设备，能源的浪费。目前，国内外已经出现不少对W18Gr4V钢软化工艺的研究，也取得了一定的成功，本课题通过在研究已有的软化工艺上，尝试

10、几种新颖的软化工艺，目的在于缩短工艺周期，减少能源消耗。这是在生产实践上的进步尝试，也是追随发展经济节约型，可持续发展型工业步伐的体现。本文主要对W18Gr4V钢热处理软化工艺，热处理后的组织，硬度，切屑性能的研究和介绍。第一章 绪论补充研究意义1.1 W18Cr4V钢的性能特点1.1.1化学成分特点下表不能复制W18Cr4V 中主要含有碳、钨、铬、钒等元素, 各元素在高速钢中的作用各有不同。若含碳量太低, 则降低了高速钢的硬度、红硬性和耐磨性；若含碳量偏高, 则硬度和红硬性有所提高, 同时使碳化物的不均匀性增加, 使钢的塑性降低, 工艺性能变差；若再提高含碳量, 则使熔点过度降低, 迫使淬火

11、温度下降过甚, 使钢的红硬性和机械性能都下降。在钢中,碳的质量分数为0. 70% 0. 80% , 它一方面要保证能与钨、铬、钒形成足够数量的合金碳化物,又要有一定的碳量溶于奥氏体中,使淬火后获得碳含量过饱和的马氏体,以保证高硬度和高耐磨性,以及良好的热硬性。钨是影响高速钢红硬性的主要元素, W18Cr4V钢在退火状态下钨与钢中的碳形成合金碳化物Fe4W2C, 淬火加热时,一部分Fe4W2C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560回火时钨又以W2C形式弥散析出,造成二次硬化现象,使钢具有高的热硬性,未溶的合金碳化物起阻碍奥氏体晶粒长大及提高耐磨性作用

12、。钨的作用与钒的含量有一定的关系,当含钒量较低时(如1%1.2%), 红硬性和切削性能随钨量的增加而增加, 含钨量达到18%, 其性能最好；钨可强烈降低钢的导热系数, 因此高速钢加热和冷却必须缓慢进行；钨还可以增加钢的淬透性, 但比铬小, 钨使碳化物的不均匀性增加。加入铬主要作用是提高淬透性, 高速钢在淬火加热时, 铬几乎全部熔入奥氏体中, 奥氏体的稳定性得以提高, 增强了钢的淬透性, 4%的铬能充分满足高速钢对淬透性的要求；铬还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。钒与钨一样, 也是影响高速钢红硬性的元素之一, 但二者不能互相替代, 钒的弥散硬化作用比钨强烈, 而熔入固溶体的钨, 则可提高马氏体

13、的回火稳定性, 钒也能提高马氏体的分解温度, 但作用不如钨突出；随着钒含量的增加, 则红硬性和耐磨性提高。钼和钨是同族元素, 在高速钢中, 钼在提高钢的硬度、造成二次硬化、提高红硬性和淬透性方面的作用都与钨相似16。与试验结果有关的内容移动到后面1.1.2组织结构特点W18Cr4V钢的铸态组织中有大量的莱氏体17,莱氏体中有粗大、不均匀分布的鱼骨状碳化物,这些碳化物的存在导致高速钢在使用中容易崩刃和磨损. 而这些粗大的碳化物不能用热处理的方法消除,只能用锻造的方法将其击碎,并使它均匀分布,再用来制造各种刃具和模具.高速钢锻造以后必须经过球化处理, 其目的不仅在于降低钢的硬度, 以利于切削加工,

14、 也为以后的淬火做好组织准备。另外, 返修工件在第二次淬火前也要进行球化退火, 否则, 第二次淬火加热时, 晶粒将过分长大而使工件变脆, 高速钢退火后获得球状碳化物和回火索氏体组织。1.1.3 W18Gr4V钢退火过程中的组织转变锻轧后缓冷组织加热到退后温度时，珠光体转变为奥氏体，共晶莱氏体中的珠光体也转变成奥氏体，二次碳化物少量溶解，共晶碳化物少部分溶解。在随后的等温冷却或缓冷过程中，奥氏体将转变为球状珠光体。高速钢球化退火后的组织为较大的初生（共晶）碳化物和二次碳化物，分布在细粒状珠光体的基体上。如果锻轧后冷却较快，则在退火加热过程中，马氏体和残余奥氏体将发生回火转变，随着温度的升高，将依

15、次转变为回火马氏体回火屈氏体回火索氏体回火珠光体13，加热温度超过Ac1后，回火珠光体转变为奥氏体，加热状态的组织仍为奥氏体，二次碳化物及共晶碳化物。1.2 W18Cr4V钢软化传统工艺1.2.1 等温球化退火删除上图，工艺图不能扫描，自己画。注意钢号错误，下同。W18Gr4V一般采用二级等温退火工艺，这样可以缩短球化退火时间。第一级退火温度选择在比Ac1高3050，在此温度下片状或大颗粒碳化物断裂为许多细小的点状碳化物，弥散的分布在奥氏体基体上。加热温度不宜超过880.否则，奥氏体含碳量和含合金量增加，导致奥氏体在珠光体区域冷却是稳定性增大，不能充分进行珠光体转变，使退火后硬度偏高。第二级退

16、火选择在C曲线拐弯处，约740至750，此时奥氏体最不稳定，最容易进行珠光体转变。经过球化退火后的金相组织，是细小的球状碳化物均匀分布在索氏体的基体上。钢的硬度为HB207-255，适合于机加工1。1.2.2目前存在的问题作为轧制或锻造毛坯件和大件，对脱碳和氧化要求不严，此工艺尚可适用但遇到不允许氧化脱碳的半成品退火件，就必须装箱退火特别是对于高速钢刀具，此办法就显得工时长，能耗大，准备工作麻烦，光亮度难保证，变形也大1。长时间退火将会影响高速钢的淬火硬度、二次硬度和红硬性，特别是850880 温度范围较长时间退火将使高速钢的性能恶化2。1.3 W18Gr4V钢软化新工艺把条件不具备的新工艺放

17、在这里，下面与你的工艺有关的放在第3章。1.3.1循环球化退火工艺循环球化退火是将钢加热到略高于Ac1点短时保温，再转入低于Ac1的温度等温、并依次循环三次，就得到了满意的组织与合适的软化效果。在760短时(1O15分钟)等温，不仅析出点状碳化物，而且棱角状碳化物也有自发向球状碳化物转化的趋势，尖角处溶断，使曲率变小，系统自由能降低。高速钢中含有大量合金元素，这些元素在奥氏体中扩散很慢，加之，850 和760保温时间都很短，因此析出点状碳化物后，不会发生聚集及长大2。1.3.2水退火法加热温度比相变点大约低100左右（切不可比相变温度高），加热10min以上，然后放入水中急冷，水中冷却时间12

18、min。W18Gr4V加热温度为790，经此处理后，硬度到在30HRC以下（即使原来HRC60），可进行切削加工。水退火法非常适合用于单件小批量生产，加热宜用盐浴炉，水冷可用自来水4。1.3.3水瀑退火高速钢工件在盐浴炉加热至该钢下临界温度Acl十(2030) ，保温0.507minmm。保温后在沸水中冷24s。出水空冷。属亚温两相区加热，水爆使部分奥氏体转变为低碳马氏体，部分奥氏体转变为索氏体和保存少量未溶铁素体，硬度3l 39HRC适宜冷切削加工4。1.3.4高速钢快速退火工艺高速钢快速退火也可以称作为高温退火，可以大大缩短退火周期，提高退火质量，高温退火方法的加热温度为Ac1f + (1

19、020)格式有问题，即退火温度由普通退火的840860提高到880920。老的退火方法在Ar1点以下保温，虽然保温时间长，但也不能进行充分再结晶，刚才不能充分软化，高温退火时保温温度在Ar1点以上，相变可以瞬时完成，相变进行得很充分，进行了完全再结晶，因而钢材充分软化。高温退火工艺保温时间大大缩短，冷却阶段的保温时间也几乎被取消，因而退火周期大大缩短。高温退火的钢材退火硬度更低，切削加工性更好4。1.3.5高速钢高温回火工艺高速钢在550左右回火会出现硬度上升的现象，而当回火温度高于550的时候，硬度会随着回火温度的上升而下降，而碳化物的含量也会随着温度的升高和时间的延长而增加，综合考虑，且本

20、着与水退火工艺相比较的目的，将工艺定为790保温1小时后空冷。1.4.钢的软化机理钢的退火软化需从铁素体基体的软化和碳化物的球化、粗化两方面进行12。1.4.1 铁素体基体相的软化钢经球化所得的粒状珠光体，是分布在铁索体基体上的颗粒状的碳化物的机械混合物其硬度主要取决于铁索体基体相和碳化物相各自的硬度以及相互作用的结果退火状态的aFe的硬度约80HB，而退火后各类钢的硬度一般在130260HB的范围，比a-Fe硬度增值50180HB这一增量是固溶强化、弥散强化、细晶强化等强化因素造成的按强化和硬化的反方向进行操作，就能够使钢软化测量钢的布氏硬度是在常温下进行的这时钢的塑性变形方式主要是滑移。晶

21、体的滑移是位错运动的结果。钢中显微的和超显微的组织结构对位错运动形成有效的障碍，需消耗很大的外力，使钢硬化，相反，若减少或拆除部分障碍，则可使钢变软。钢中阻碍位错运动的障碍物按其几何尺寸可以分为：(1)0维障碍物，置换的或间隙的溶质原子；(2)1维障碍物，位错；(3)2维障碍物，晶界、相界、孪晶界；(4)3维障碍物，第二相质点实现铁素体基体相的软化，需减少合金元素和杂质元素的原子的固溶强化作用；需减少位错密度；需粗化晶粒，减少相界面积等。1.4.2粗化碳化物颗粒，降低退火硬度粒状珠光体除铁素体的硬度外，碳化物形态、数量、大小、分布对退火硬度起着重要作用。如随着含碳量的提高，热轧钢材的抗拉强度从

22、10#钢的300MNm2急剧提高到共析钢的800MNm2，表现出碳化物对铁素体基体的强化作用。因此，减少钢中碳化物的数量，并使碳化物球状化、粗大化是降低硬度的有效途径。钢中的碳化物，尤其是特殊碳化物，具有极高的硬度，属于不变形的第二相粒子。钢在外力作用下变形时，需消耗足够大的切应力，在第二相粒子周围形成位错圈，切应力()与第二相粒子间距(L)成反比，即=KbLln(r1b)，式中K为常数，b为位错柏氏矢量, r1为滑移面与第二相相交的截面半径。可见第二相颗粒的尺寸越大，所占体积分数越小，则硬度越低。当颗粒体积分数相同时，颗粒半径越大则硬度越低。可见使碳化物颗粒粗化，可降低硬度，软化钢材。1.5

23、硬度与切削性能1.5.1易切削机理这段与本课题无关，删除提高钢的切削性能常用方法是加入一种或几种易切削元素(如C、P、S、Pb等),在钢中形成有利夹杂物,各类夹杂物以各种形状分布于基体中,在切削过程中由于切削力的作用,尤其是材料在弹性变形范围内,将引起应力集中,同时夹杂物阻碍位错运动,使塑性变形困难,将在夹杂物端部产生附加应力,导致列纹的产生。此外,由于位错运动受阻,剪切变形被限制在较小的局部范围,使剪切角增大,降低切削力。1.5.2 组织与切削从组织来讲，马氏体（淬火组织）和奥氏体最难切削。马氏体组织因过于硬难切削，奥氏体组织则因软且粘而难切削。与此相比，粒状组织（索氏体）和粗的珠光体组织容

24、易切削。因此，高碳钢和高碳特殊钢，可通过球化处理使其变成粒状组织。据资料所显示，如果组织是片状珠光体+等轴状铁素体，分布均匀，晶粒度78级。在这种条件下进行剪切，塑性好的铁素体首先发生位错滑移，与滑移方向相近的珠光体片层也接着发生转动，这样便发生形变强化，在剪切应力的继续作用下，晶粒成为纤维状，最后发生撕裂，形成带状切屑，加工过程较平稳。在片状珠光体十等轴状铁素体的金相结构中，随着珠光体数量的增加，塑性减少，粘刀现象相应减少，切削粗糙度值也就减少。当金相组织分布不均匀时，局部区间铁素体密集，就容易在此切削区产生粘刀现象，从而增大粗糙度值。金相组织分布严重不均匀时，还会引起硬度的不均匀。当晶粒越

25、小，数量越多时，即硬度越高，阻碍滑移的障碍物就越多，强度和韧性就越高。球状珠光体韧性较高，不象片状珠光体有各向异性18。切削条件和金属材料性能不同，则切屑形状、尺寸、颜色及其变形程度也不同。材料的强度、硬度、金相组织、化学成分等因素都影响屑形和变形。所以从切屑的形状可以推断出材料硬度的高低，切屑的形状有多种：带状切屑、发条状切屑、弧形切屑，单元切屑、针状切屑、崩碎切屑等等19。通常可以简单地认为，材料硬度越高，切屑越细小，当硬度逐渐减少时，切屑逐渐呈现块状。1.5.3硬度与切削材料通常被认为硬所以难以切削。因此，要求进行退火使之软化。的确，硬的材料难切削，但是，难切削还是易切削不单纯取决于硬度

26、的高低所以一用刀具来切削，是因为刀具的硬度比被切削的钢硬的缘故，这种硬度差别是表示切削难度程度的大致标准。因此，硬度之差越大，越易切削，换句话，犹豫道具的硬度大致是6065HRC，所以被切削的钢越软越容易切削，但是，材料过于软反而难切削，正像竖起来的粘糕比硬的蜡烛难切削一样。一般地说，极软钢因过软而难切削，那是因为像粘糕似的，由于粘的缘故，半硬钢比极软钢硬，所以容易切削，硬钢的最硬钢，则因过硬反而难切削。总之，可切削性与硬度的关系极为密切。一般认为，最容易切削的硬度是HB187229，因此，对于0.3C以下的软钢可进行正火将其硬度控制在这一范围之内。对于这种钢不可以退火，因为退火会过软；相反，

27、对于0.3C以上的钢则进行退火才能变得容易切削（HB200左右）。另外，晶粒越粗大，越容易切削。其原因之一是晶粒粗的比晶粒细的软。钢硬度高,塑性变形差,切削阻力大,如4钢硬度为44 HRC,较正火状态下的单位切削阻力高35%。由于切削阻力大切削温度高,如硬度为44 HRC 45钢的切削温度比正火状态下高45%左右,这样使刀具磨损加剧。总之，钢的课切削性可以用硬度作为大致标准，以不过于硬，不过于软的适宜硬度（HB187229）为最好。其次是组织，以粗珠光体和粒状组织为好，奥氏体组织不好20。那么，究竟极限是能切削都多高硬度的钢材呢？一般来说，为HB350文献？（HS50），今年硬质合金工具有了发

28、展，硬度在HS80左右的钢材也可以切削。第二章 实验材料和实验方法2.1实验材料实验所用的材料是锻造后未经任何热处理的W18Cr4V钢，其化学成分和临界温度如下：表2不能粘贴 W18Cr4V钢的化学成分和临界点所给的原材料为一圆形柱体，首先要进行切割和打磨，材料的原始硬度经测量是65HRC，硬度较高，不能直接切屑加工。2.2实验方案目前，国内外已有不少关于W18Cr4V钢软化的工艺，大部分都能把硬度降低到30HRC以下，但通常都需需耗较长时间，需要较多能源；新开发的工艺往往效果不如理想。本实验是希望通过掌握了软化机理，改进传统工艺的基础上，尝试几种周期较短，或者能耗较少的工艺，使材料获得最软的

29、组织，具体研究内容如下：1）影响W18Cr4V钢硬度的因素2）关于W18Cr4V钢新工艺的相变机理3）软化工艺试验研究4）材料成分对组织、硬度的影响5）新工艺的组织，硬度，晶粒度分析本实验的关键是热处理工艺的设定，包括热处理温度，保温时间，冷却介质选择等等。为了尽可能的开发出最省时省能的工艺，设计了三个热处理工艺：工艺名称？a：790下保温一个小时，出炉空冷；b：790下保温一个小时，出炉水冷；c：850下保温30分钟，在沸水中冷却2-4s拿出空冷；d：850下保温20分钟后随炉冷却到760保温20分钟后再加热到870，保温20分钟后在冷却到760，保温20分钟后加热到850，再冷却到760，

30、保温20分钟后，出炉空冷。2.3实验设备 实验中主要用到的设备如下：主要实验设备情况设备名称型号生产厂家洛氏硬度机3JR-5211深圳市精点测量仪器贸易公司金相抛光机P-2上海日用电机厂金相试样切割机QG3上海金相机械设备有限公司箱形电阻炉SRJX-2-9上海实验电炉厂金相显微镜XJP-6A东莞市兴万电子厂2.4试验标准？第三章 新工艺开发研究原始组织、硬度？3.1 新工艺研究（工艺机理在前，依据机理的新工艺试验在后，最后是结果及分析。分析成分、组织、硬度的作用）3.1.1循环球化退火工艺3.1.1.1实验步骤以及实验结果 把试样编号为试样1。把箱式电阻炉调温到850，到温后将试样放入箱式炉中

31、（这个工序用盐浴炉的效果会好，但是由于实验室的条件有限，无法提供盐浴炉，所以采用箱式路代替，将原来的加热的时间延长，也可以达到原来的效果），保温20分钟后，随炉冷却（实验室的箱式炉的冷却速度为300/h），冷却到760后保温，时间同样为20分钟，再加热到870，保温20分钟后在冷却到760，保温20分钟后加热到850，再冷却到760，保温20分钟，把试样快速从炉中取出，放到空旷地方空冷到室温。注意空冷时应把试样放到空旷地方，让试样更好地散热2。试验结束后将试样表层的氧化层用砂轮机打磨掉，选取较平整的一面进行研磨，抛光，之后再把侧面磨平，用洛氏硬度机进行硬度测试，再用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，之

32、后放到金相显微镜下进行组织观察。在试样上取三个分散的点进行硬度测试，测试结果分别为：30.1,29.2,31.1，取平均值，得到硬度为30.2HRC，再进行组织观察和分析，经研磨后，在金相显微镜下观察到组织如下图：图3.1 循环退火后的金相组织（X在数字后面，是乘号，不是字母500）可以看到基体组织为索氏体，还有白色的碳化物，可以看到，渗碳体颗粒比较粗大，所以材料硬度较低。用书面语言3.1.1.2粒状珠光体的形成过程粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳物的球状化而获得的24。若将片状珠光体加热至略高于A1点的温度，则得到奥氏体加未完全溶解渗碳体的混合组织。此时，渗碳体已不保持完整片状，而是凹凸不平

33、，厚薄不匀，部分已经断开。在此温度下保温将使片状渗碳体球状化。片状渗碳体球状化的原因是：由于第二相颗粒在集体中的溶解度与曲率半径有关，所以与非球状渗碳体尖角处（曲率半径较小部分）相接触的奥氏体具有较高的碳浓度，而与渗碳体平面处（曲率半径较大部分）相接触的奥氏体具有较低的碳浓度，在渗碳体界面附近的奥氏体中存在浓度差，因此界面附近奥氏体中的C原子将从渗碳体的尖角处向渗碳体的平面处扩散。这种扩散的结果，破坏了界面处的碳平衡。为恢复界面碳浓度平衡，渗碳物的尖角处将溶解而使其曲率半径增大，而渗碳体的平面处将长大而使其曲率半径减少，以至逐渐成为各处曲率半径相近的颗粒状渗碳体，从而得到在奥氏体基体上分布着颗

34、粒状渗碳体的组织。然后缓慢冷却至A1点以下时，奥氏体将转化为珠光体。此时，领先相渗碳体不仅可以在奥氏体晶界上形核，而且也可以从已存在的颗粒状渗碳体上长出，但这时已不能长成片状，最后得到渗碳体呈颗粒状分布的粒状珠光体。图3.2 片状渗碳体断裂机制示意图不能用扫描照片另外，由于片状渗碳体中有位错存在，并可形成亚晶界或高位错密度区，在其与基体（如将片状珠光体加热到至略低于A1点时为铁素体）相接触处则形成凹坑。如图3.2所示。在凹坑两侧的渗碳体与平面部分的渗碳体相比，具有较小的曲率半径。同理，与凹坑相接触的基体中具有较高碳浓度，将引起C在基体上的扩散，并以渗碳体的形式在附近平面渗碳体上析出。为维持界面

35、平衡，凹坑两侧的渗碳体尖角将逐渐被溶解，而使曲率半径增大。这样又破坏了此处相界表面张力（cem/a与cem/a）的平衡。为维持表面张力的平衡，凹坑将因渗碳体继续溶解而加深。在渗碳体片的另一面也可发生上述溶解过程，如此不断进行，直至渗碳体溶穿而断裂。而后，断裂的渗碳体又按尖角处溶解，平面处析出长大方式而球状化。对组织为片状珠光体的钢进行塑性变形，将增大珠光体中铁素体和渗碳体的位错密度和亚晶界数量，有促进渗碳体球状化的作用。3.1.1.3工艺分析循环球化退火是将钢加热到略高于Ac1点短时保温，再转入低于Ac1的温度等温、并依次循环三次，就得到了满意的组织与合适的软化效果， 这主要是由碳化物的析出规

36、律与高速钢本身的特性所决定的2。众所周知， 高速钢中的碳化物主要是M6C,M23C6和MC，其中M23C6型碳化物最容易溶解，但溶解温度高于900，而M6C和MC型碳化物在温度高于1150后才明显溶解。循环球化工艺的加热温度为850，所以在奥氏体形成的四个阶段中，只可能发生奥氏体晶核的形成及轻微长大过程，不可能存在碳化物的溶解及奥氏体的均匀化现象。这种不均匀奥氏体和部分未溶碳化物，以及奥氏体中高浓度碳偏聚区，促进了碳化物的非自发形核，加速了球化。这种组织特性使碳的扩散距离大为缩短，析出碳化物所消耗的总能量降低，加之原始组织为回火马氏体， 这些因素都非常利于点状碳化物的分散均匀析出。残余碳化物越

37、多且分布愈弥散，球化析出时碳的扩散距离LS愈小，越易于形成球化组织，本工艺的第二个，第三个循环，其组织中未溶的碳化物及第一个循环中析出的碳化物数量就非常大，使LS减小， 从而迅速达到球化和基体组织软化的结果，即分散析出大量点状碳化物以及硬度降为HB223269的理想退火效果。在760短时(20分钟)等温，不仅析出点状碳化物，而且棱角状碳化物也有自发向球状碳化物转化的趋势，尖角处溶断，使曲率变小，系统自由能降低。高速钢中含有大量合金元素，这些元素在奥氏体中扩散很慢，加之，850 和760保温时间都很短，因此析出点状碳化物后，不会发生聚集及长大。高速钢循环球化过程主要是点状碳化物的析出过程， 同时

38、存在棱角状碳化物自发球化的趋势。碳化物呈点状而非颗粒状，与循环退火工艺参数及高速钢中合金元素含量有直接关系。3.1.1.4实验意义删除标题循环退火工艺虽然是这次几个工艺中时间最长的一个，六个保温阶段每个保温20分钟，再加上中间冷却和升温的时间，整个工序的用时为3小时30分钟，但是，这个工艺是本次实验所尝试的工艺中效果最好的一个，热处理后的样品的硬度降到了30HRC，基本可以满足目前的切削加工需要，虽然降到20HRC左右是最理想的切削加工范围，但是，30HRC就目前使用较多的硬质合金刀具来说，是可以满足的，而且他与传统工艺长达10-20小时的保温时间相比，热处理时间大大得到了缩短，从而实验了节约

39、能耗，提高效率的目的。3.1.2 水退火工艺 水退火不是完全退火，但对只要求使钢变软就可以的情况确实是很好地办法，在机遇进行作业或者以软化到能进行机械加工为目的时，是很好地快速软化方法。水退火就是在水中急冷而软化，关键是加热温度，其温度比相变点大约低100左右（切不可比相变点高），加热15min以上，然后放入水中急冷，水中冷却时间12min22。水退火对机械工厂常用的钢种几乎都使用。经此处理后，硬度都在30HRC以下，可进行切屑加工。水退火，对于使淬硬的钢迅速的软化到能进行机械加工（切削）是很方便的，可应用于高速钢和模具钢。碳素工具钢加热到650，模具钢加热到750，高速钢加热到800，然后进

40、行水冷。下图自己画，标图号3.1.2.1实验过程与结果把试样编号为试样2。把箱式电阻炉调温到790，试样随炉升温，到温后开始计时，保温1小时，把试样快速从炉中取出，放到水中急冷2min。注意水冷时应该把试样放到尽可能开阔的空间，让试样更好地散热。试验结束后将试样表层的氧化层用砂轮机打磨掉，选取较平整的一面进行研磨，抛光，再用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，之后放到金相显微镜下进行组织观察，之后再把侧面磨平，分别用洛氏硬度机进行硬度测试。在试样上取三个分散的点进行硬度测试，测试结果分别为：40,38,39，取平均值，得到硬度为39HRC，再进行组织观察和分析，经研磨后，在金相显微镜下观察到组织如下图：

41、图3.3 水退火后的金相组织（X500）由图3.3可见，水退火后的组织是一种混合组织，其中包含回火索氏体和一些针状马氏体，珠光体组织。我们知道，原材料是一些混合组织，结合W18Cr4V钢的连续冷却曲线可以看出，当加热到790时，原材料中的残余奥氏体已经分解，转变成针状的马氏体，由于加热后在水中急冷，冷速比较快，组织转变不经过贝氏体，珠光体转变区，而是直接转变为马氏体组织，部分贝氏体和马氏体在加热过程中转变成回火索氏体，所以在图上可以明显地看到索氏体和马氏体组织。两种一软一硬的组织叠加在一起，最后宏观呈现出材料的宏观硬度达到42HRC，软化效果不理想。3.1.2.2 实验意义水退火本意是在低于A

42、C1的温度下加热，节省能源，在水中急冷，节省时间。但是可能由于各种材料的差异，实验过程中环境因素的影响，使得水退火工艺达不到预期的效果。3.1.3 高温回火工艺 3.1.3.1实验过程与结果把试样编号为试样3。把箱式电阻炉调温到790补充温度选择超过二次硬化的内容，将试样放入箱式炉中保温一个小时，把试样快速从炉中取出，放到空旷地方空冷到室温。注意空冷时应把试样放到空旷地方，让试样更好地散热。试验结束后将试样表层的氧化层用砂轮机打磨掉，选取较平整的一面进行研磨，抛光，之后再把侧面磨平，用洛氏硬度机进行硬度测试，再用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，之后放到金相显微镜下进行组织观察。在试样上取三个分散的点

43、进行硬度测试，测试结果分别为：46,45,44，取平均值，得到硬度为45HRC，再进行组织观察和分析，经研磨后，在金相显微镜下观察到组织如下图：图3.4 高温回火后的金相组织（X500）从图片上可以看到，回火后的组织是典型的回火索氏体，可以看到，渗碳体颗粒比较粗大，所以材料硬度较低。3.1.3.2碳化物的聚集长大淬火碳钢高温回火的时候，碳化物将发生聚集扎根大，当回火温度高于400时，碳化物已经开始聚集和球化。当温度高于600时，细粒状碳化物将迅速聚集并粗化。碳化物的球化，长大过程，是按照小颗粒溶解，大颗粒长大的机制进行的，研究表明24，第二项粒子在固溶体中的溶解度Cr与第二相粒子的半径r有关，

44、可由下式求出Ln(Cr/C)=2M/RTr式中，Cr为第二项粒子半径为r时的溶解度；C为第二项粒子半径为时的溶解度；M为第二相粒子的相对分子质量；为单位面积界面能；为第二相离子的密度；R为气体常熟；T为绝对温度。可见第二相离子的半径越小，其在基体中的溶解度Cr就越大。如果已经析出的碳化物粒子的大小不一，则由于其溶解度不同，将在基体类形成浓度梯度，如图3.5所示。基体中的合金元素原子和碳原子均由小颗粒碳化物处向大颗粒碳化物处扩散，结果导致小颗粒碳化物溶解，大颗粒碳化物长大。若碳化物呈杆状或薄片状，则由于各碳化物部位的曲率半径r不同，其溶解度也不同。R较小的碳化物部位将溶解，r较大的碳化物部位将长

45、大，这将使杆或片发生断裂，导致碳化物球化。图3.5 碳化物粗化机理示意图删除3.1.3.3回火时的二次硬化现象此标题容易产生歧义，新工艺选择回火温度时应该考虑二次硬化问题，碳钢在回火第三阶段，随着渗碳体颗粒的长大，将不断软化。如图3.6所示。但是，当钢中含有Mo,V,W,Ta,Nb和Ti强碳化物形成元素时，将减弱软化倾向，即增大了软化抗力。当马氏体中含有足够量的碳化物形成元素时，在500以上回火时将会析出细小的特殊碳化物，导致因回火温度升高，-碳化物粗化而软化的钢再度硬化，这种现象称之为二次硬化。有时二次硬化峰的硬度可能比淬火硬度还要高。图3.7示出了钼含量对低碳（0.1%C）钼钢二次硬化作用

46、的影响，可见，随着Mo含量的增加，二次硬化作用加剧。其他强碳化物形成元素（如Ti,V,W,Nb等）也有类似作用。Cr含量很高的时候（如大于12%）才有不太明显的二次硬化峰。以下有明显超书痕迹图3.6 低.中碳钢在100-700回火1h的硬度变化图3.7 回火温度对低碳钼钢马氏体硬度的影响删除图电镜观察证实，二次硬化手机由于弥散，细小的特殊碳化物（如Mo2C,W2C,VC,TiC,NbC等）的析出造成的。具有二次硬化作用的特殊碳化物多在位错区沉淀析出，常呈极细针状或波片状，尺寸很小，而且与相保持共格关系。随回火温度升高，碳化物数量增多，碳化物尺寸逐步增大，与相的共格畸变也逐渐加剧，直至硬度达到峰

47、值。再继续升高温度，由于碳化物长大，弥散度减小，共格关系被破坏，共格畸变消失以及位错密度降低，从而使硬度迅速下降。综上所诉，可以认为对二次硬化有贡献的因素是特殊碳化物的弥散度，相中位错密度和碳化物与相之间的共格畸变等。采用回火工艺对高速钢进行软化处理的时候一定要注意避开高速钢的二次硬化温度，W18Cr4V钢的二次硬化温度一般在500-550，高于这个温度，随着温度的升高，软化的效果会越好。3.1.3.4 实验意义尝试这个回火工艺作为高速钢的软化工艺，一个方面是因为在回火的过程中随着马氏体和贝氏体的转变，钢的硬度会有很大程度的下降，从而达到软化的效果，另一方面是因为，我们一直无法弄清楚水退火的机理是什么，就安排了这样一个比对试验，这两个工序的加热温度是一样的，保温时间也一样，至是出炉后的冷却介质是不同的，一个是空气，一个是冷水。实验结果表明两个工序最后的效果是差不多的，组织的晶粒度是一样的，只是空冷的组织中碳化物要小一点，硬度也稍微高点。可以认为这些差异是由于冷却