实验九高速钢模具钢的组织观察与检验

实验九高速钢、模具钢的组织观察与检验(验证性)一、实验目的及要求1．掌握高速钢的金相检验方法。2．掌握模具钢的金相检验方法。3．正确使用金相标准，对金相组织进行评级。二、实验原理（一）高速钢的金相组织高速工具钢以能进行高速切削而得名。在高速切削时，车刀温度能达到500～600℃，而碳素工具钢、合金工具钢刀具在250～300℃时硬度将显著降低，失去切削能力。技术要求：有较高的硬度、耐磨性和红硬性；在高速切削时，忍部受热至600℃左右，硬度仍未明显减低；制成的刀具在600℃加热4小时后冷却到室温，硬度仍能大于62HRC。成分特点：C、W、Cr、V、Mo、Co、Al等，以提高热处理时的高淬透性和红硬性。常用牌号及分类：①W系高速钢（如W18Cr4V）W系高速钢是使用用最早和使用较广的钢种。含W的质量分数在12%～18%之间。W能强烈形成碳化物的元素，有强烈的细化晶粒的作用。该种钢淬火温度范围较广，不易过热，回火过程中析出的钨碳化物弥散分布于马氏体基体上，与钒的碳化物一起造成钢的二次硬化效应。但是该种钢的碳化物不均匀度较为严重，热塑性较差，不易热塑成型，同时钨含量较高，不经济。取而代之的是W-Mo系高速钢。②W-Mo系高速钢（如W6Mo5Cr4V2）Mo在钢中的作用同W相似，能够提高钢的淬透性和红硬性，提高港的强度，造成二次硬化，按照质量百分比计算1%Mo可代替2%W。Mo能降低钢结晶时的包晶反应温度，锻造后碳化物不均匀度较好。但是钢的晶粒易于长大，过热敏感性高，故淬火加热温度范围较窄。③高碳高钒高速钢（如W6MoCr4V3）V是造成高速钢红硬性的主要元素之一，也是强碳化物形成元素。在提高V含量的同时，必须相应提高C含量，以形成V的碳化物。由于VC具有较高的硬度和耐磨性，因此钢的可切削性能差，只用于制造形状简单的刀具。④Co高速钢（如W2Mo9Cr4VCo8）Co是非碳化物形成元素，能够提高钢的合金度及红硬性。该钢的硬度可达68～70HRC，被称为超硬高速钢。⑤Al高速钢（如W10Mo4Cr4V3Al）Al的加入改善了钢的脆性，并使刀具切削时不产生粘刀现象。该钢的缺点是脱碳倾向大，磨削性能差。1、高速钢的组织特点1）铸态组织骨骼状莱氏体组织。2）退火组织退火状态组织为索氏体和碳化物。退火组织要进行脱碳层深度测定。经过锻轧后，共晶碳化物呈带状和变形的网状分布。组织评定用JB/T4290-1999《高速钢锻件技术条件》进行取样和评级。3）淬火组织和晶粒度淬火后的显微组织为马氏体、碳化物及体积分数在30%左右的残余奥氏体。马氏体成隐针状，侵蚀后呈白色。淬火晶粒度大小是检验热处理质量的重要标志。淬火欠热组织：加热温度不足，二次碳化物未全部溶解，使得奥氏体合金化程度不够，导致刀具的红硬性降低，晶粒度相当于11级。）。淬火正常组织:晶粒度相当于8、9、10级。淬火过热、过烧组织：晶粒较粗相当于7级，接近过热组织，同时在晶界处出现灰色共晶莱氏体及大块状黑色托氏体组织，典型的淬火过烧组织。加热温度较高，在晶界出现熔化状态，在随后的冷却过程中转变为莱氏体。奥氏体晶粒在重复加热后特别粗大，敲断工件后断口呈萘状断口。萘状断口：高速钢重复加热淬火而不进行中间退火后，奥氏体晶粒特别粗大，敲断后断口呈萘状。金相组织特征是极粗大的晶粒，这种组织使刀具变脆，是不允许存在的缺陷。属于严重过烧组织：在晶界处出现网络状共晶莱氏体，大块黑色为托氏体，部分黑色托氏体包围中间的灰白色块状区是高温铁素体。4）回火组织回火显微组织为回火马氏体，碳化物和残留奥氏体。①回火程度：高速钢淬火后有大量残留奥氏体，需进行三次回火。正常回火后，侵蚀后应观察不到奥氏体晶粒。②回火过热组织：以晶粒边界碳化物的溶解程度和在冷却过程中析出网状程度来确定过热组织。③过烧：出现铸态黑色组织及共晶莱氏体。过热与过烧的区别是：过热组织主要出现次生莱氏体（呈细小骨骼状存在于晶界）。2、高速钢的金相检验1）原料共晶碳化物不均匀度按照GB/T9943-1988《高速工具钢棒技术条件》及GB/T14979-1994《钢的共晶碳化物不均匀度评定法》进行。2）锻造后碳化物不均匀程度3）晶粒度评定参照JB/T9730-1999《W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V钢针阀金相检验_淬火后晶粒度_第四级别图》4）过热程度5）回火程度的评定（二）模具钢的金相检验（主要指高碳高合金模具钢）按照模具钢的使用条件可以分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料专用模具钢。常用的冷作模具钢有Cr12、Cr12MoV等，热作模具钢有3Cr2W8V等，塑料专用模具钢主要以30Cr2Mo(P20)钢为代表。1）Cr12型钢冷作模具钢的技术要求为高硬度、高强度、良好的耐磨性。显微组织特点为热处理后要有一定量的剩余碳化物，碳化物分布均匀、形态圆整、细小；马氏体均匀细致（能抑制细微裂纹形成，增加板条马氏体能提高强韧性）；奥氏体晶粒均匀细小。Cr12型钢属于莱氏体钢，在铸态下共晶碳化物呈网状，需要反复锻造加以改善。锻造退火后的组织为索氏体加块粒状碳化物。热处理特点：淬火温度较高（1100～1160℃分级淬火），回火温度高（520～600℃，三次回火）。金相检验项目①共晶碳化物不均匀度按照GB/T1299-2000《合金工具钢技术条件》标准第四级图评定，合格级别见表6-2。②珠光体球化按照技术条件进行评定。③二次碳化物网按照GB/T1299-2000《合金工具钢》评级，一般模坯碳化物网≤2级。④淬火组织及晶粒度按照《工具钢热处理金相检验》行业标准进行。规定一次硬化马氏体针≤2级，晶粒度10～12级；二次硬化马氏体针≤3级，晶粒度8～9级。2）3Cr2W8V钢热作模具钢长时间在反复急冷急热条件下工作，模具温升可达700℃，要求热作模具钢具有较好的热强性及热疲劳和韧性。3Cr2W8V钢属于共析钢，退火组织为点状极细粒状珠光体和共晶碳化物（属于亚稳定共晶碳化物），碳化物要均匀、细小和圆整，不允许大块状或链状、带状分布。由于合金元素的加入，钢材中的碳氮化合物及夹杂物检验是至关重要的。常采用高于马氏体形成温度进行等温处理，可获得抗热冲击性能贝氏体组织。检验标准有：YB9-1968《铬轴承钢技术条件》、ZJB36003-1987《工具钢热处理检验》和GB/T1299-2000《合金工具钢技术条件》等。金相检验项目：共晶碳化物不均匀性：由于热作模具钢高碳高合金，使得元素扩散困难，严重的元素偏析易导致亚稳定的共晶碳化物出现。可采用高温长时间扩散退火消除。球化质量：按照技术条件检验。碳化物网：产因主要是锻后缓冷、退火过热、高温加热空气淬火和高温分级淬火。要求模坯碳化物网≤2级。碳化物偏析带。热处理组织：要注意淬火后马氏体针的长度及晶粒度的要求。采用等温处理的注意贝氏体形态。采用回火马氏体、回火托氏体、残余奥氏体和共晶碳化物的模具钢，应注意有无晶界碳化物网。加入等温贝氏体组织，图4-4-86、873）30Cr2Mo(P20)钢塑料模具钢要求模具的形状复杂，尺寸精度高，表面粗糙度低。制作高要求的塑料模具时，一般模具钢不能满足要求，必须采用塑料模具专用钢。30Cr2Mo(P20)钢是预硬型的塑料模具钢，其化学成分属于低杂质的合金结构钢，可调质到较高硬度但仍保持良好的可加工性能，抛光后获得较低的表面粗糙度。调质后的组织为回火索氏体，可进行机械加工，避免了热处理变形，故称“预硬型”塑料模具钢。三、实验仪器及材料1．实验仪器XJG-01型立式金相显微镜，XJG-02立式型金相显微镜，XJG-05型卧式金相显微镜，4XC型金相显微镜2．试验材料W18Cr4V钢，Cr12钢，Cr12MoV钢，3Cr2W8V钢四、实验内容及步骤1、观察高速钢、模具钢的显微组织。2、根据每个试样的实验内容画出组织图，在图中注明各组织组成物。3、根据相应检验标准评定级别，标明放大倍数。五、思考题1．Cr12型钢碳化物不均匀度对钢的性能有何影响？碳化物不均匀度如何评定？2．高速工具钢有哪些种类，高速工具钢回火过热、过烧组织特征是什么？3．什么是萘状断口组织，它的造成原因是什么？