工具钢热处理工艺-组织-性能的系统分析

1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2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。3表1工具钢不同热处理工艺制度下的显微组织序号材料名称处理工艺显微组织浸蚀剂29CrSi淬火+回火回火马氏体＋颗粒状碳化物渗碳体3％硝酸酒精溶液3W18Cr4V铸态共晶莱氏体+黑色组织+马氏体+残余奥氏体3％硝酸酒精溶液4退火索氏体＋碳化物3％硝酸酒精溶液51280℃淬火（60～70%）马氏体＋（25～30%）奥氏体（残余2～3%）＋10％未溶碳化物30％硝酸酒精溶液61280℃淬火560℃回火三次回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体3％硝酸酒精溶液7Cr12MoV退火索氏体＋碳化物3％硝酸酒精溶液8淬火+回火隐晶马氏体＋碳化物3％硝酸酒精溶液表2W18Cr4V高速钢不同温度淬火后的金相试样№淬火温度/℃显微组织11220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）21240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）31260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）41280隐晶马氏体（60～70％）＋残余奥氏体（25～30％）＋10％未溶碳化物51290隐晶马氏体（65～72％）＋残余奥氏体（20～30％）＋8％未溶碳化物61300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%）71310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）81320晶界开始熔化、出现共晶莱氏体和δ共析相4五、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/℃1220124012601280硬度淬火温度/℃1290130013101320硬度表4硬度与回火温度关系淬火温度/℃回火温度/℃200300400500570600650硬度/HRC124012801310